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Vibrations-Reguliereinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Regler, die nach dem Scinellregler- oder Tirrill-Prinzip arbeiten und hat insbesondere
zum Gegenstand, die periodische Regulierbeeinflussung mit Hilfe eines Relais zu
bewirken, dessen Öffnungs- und Schließungszeit in Abhängigkeit von dem gerade herrschenden
Wert der zu beeinflussenden Größe (Drehzahl, Spannung) durch die Ladungs-und Entladungszeit
eines Kondensators bestimmt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden, ausgehend von einer Erläuterung der
in Frage stehenden Regelungsart, beschrieben. Zur Regelung elektrischer -Ströme,
beispielsweise des Erregerstromes elektrischer Maschinen zum Zwecke des Konstanth
altens der Spannnung oder der Umdrehungszahl oder auch zum Zwecke der Synchronisierung
sind grundsätzlich zwei Methoden zu unterscheid,-n: die erste, die als sogenannte
»träge Regelung<< anzusehen ist, besteht darin, daß immer erst dann, wenn
eine Änderung der zu beeintiussenden bzw. zu regelnden Gröle stattgefunden hat,
der Regelmechanismus zu wirken beginnt, so daß also in der Zwischenzeit die zu regelnde
Größe bereits eine weitere Änderung ßrfahren haben kann und somit die Regelbeeinflussung
hinter den Änderungen zurückbleibt. Eine derartige, auch als grobe Regelung zu bezeichnende
Art kann daher notwendigerweise nur bei geringen und langsam erfolgenden Änderungen
der konstant zu haltenden Größe Verwendung finden und vers;igt vollständig, wenn
es sich um äußerste Präzision, wie beispielsweise bei der Drehzahlregelung elektrischer
Maschinen zur Erzeugung von Hochfrequenzströmen oder zur Erzielung eines synchronen
Laufes mehrerer Vorrichtungen, feiner aber auch, wenn es sich um Erzeugung äußerst
konstanter Spannungen, wie sie zu Meßzwecken erfordert «-erden, handelt. Hierfür
kommt praktisch nur die andere, bereits bekannt gewordene Art der Regelbeeinflussung,
auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, die als sogenannte Schnellregelung
anzusprechen ist, in Frage und die sowohl durch den bekannten Tirrillschen Spannungsregler
für elektrische Generatoren sowie neuerdigs auch für die Konstanthaltung der Drehzahl
von Maschinen durch den sogenannten Schmidtschen Fliehkraftkontaktregler bekannt
geworden ist. Das Prinzip dieser Regelmethode besteht darin, daß eine dauernde,
also im Normalzustand, d. 1i. wenn die auf Konstantwert zu erhaltende Größe, Spannung
oder Drehzahl, ihren richtigen gewünschten Wert besitzt, zwangsläufig
periodische
Regelung stattfindet, so daß schon bei der geringsten Änderung der auf einem bestimmten
Wert zu erhaltenden Größe die Regelwirkung nicht erst von Anfang anlaufen muß, sondern
bereits nach geringer Zeit in voller Wirkung ist und ohne praktisch merkliche Verzögerung
eine regelnde Kraft auslösen kann.
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Ein weiteres besonderes Kennzeichen einer derartigen Regelmethode
gegenüber der erwähnten Methode der trägen Regelung, bei welcher die oben auseinandergesetzten
Nachteile
in den finit den Stromänderungen verbundenen Ausgleichserscheinungen
bedingt sind, besteht noch darin, daß derartige, den Regelungsvorgang störende Ausgleichserscheinungen,
insbesondere der Einfluß der Induktivität von Wicklungen, wie Erregerwicklungen
und andere, nahezu ausgeschaltet. werden. Dies geschieht dadurch, daß eine sogenannte
überregelung angewendet wird, d. h. daß man die Regelbeeinflussung zunächst um ein
Vielfaches größer macht, als zur Herstellung des Normalzustandes notwendig wäre,
wobei sich die eigentlich -viel zu große regelnde Kraft jedoch nicht voll auswirken
kann, da sie durch das zwangsläufige periodische Wirken der Regelung schon zu Beginn
ihrer Einwirkung wieder ausgeschaltet wird. Hierdurch werden die Trägheitserscheinungen
auf einen sehr geringen Wert herausgedrückt und eine momentan sich auswirkende Regelbeeinflussung
erreicht.
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Dieser Gedanke wird an Hand .einiger praktischer Ausführungsbeispiele,
die in den Abbildungen veranschaulicht sind, noch näher erläutert, wobei Einzelheiten
noch besprochen werden. Gleiche Bezugszeichen in allen Abbildungen beziehen sich
auf gleiche Elemente. Wird z. B. in die Erregerwicklung einer auf konstanter Spannung
zu erhaltenden oder mit gleicher Umdreh@@ngszahl bzw. synchron mit einer -anderen
Maschine zu betreibenden Maschine ein Widerstand eingeschaltet und die Erregerwicklung
an eine geeignete Spannung gelegt (beispielsweise an eine Fremderregerquelle oder
bei selbsterregten Maschinen an die Ankerklemmen), so bildet sich beim Schließen
.des Kreises ein Strom aus, der gemäß der Kurve a der beigefügten Abbildung i ansteigt,
also seinen Endwert erst nach einer geraumen Zeit, die durch die Zeitkonstante des
Kreises bestimmt ist, erreichen würde. Soll nun eine vom Erregerstrom abhängige
Größe (Klemmenspannung, Drehzahl) durch Beeinflussung des Erregerstromes geändert
werden, so erkennt man, daß infolge der Trägheit des Stromanstieges die Regelwirkung
nicht sofort in ihrer vollen Stärke auftreten kann, sondern erst nach einer bestimmten
Zeit auswirken wird; die insbesondere, wenn es sich um die Regelung großer Maschinen
handelt, deren Magnetwicklungen bedeutende Induktivitätswerte hesitzen können, einen
praktisch verhältnismäßig beträchtlichen Wert besitzen kann. Wir haben es in diesem
Falle mit ,einer, wie oben schon erwähnt, sogenannten trägen Regelung zu tun. Wird
nun ein passend gewählter Widerstand durch öffnen eines Kontaktes in den Nehenschlußkreis
nach einer kurzen Zeit 1s (s. Abb. i) eingeschaltet, so erreicht der Strom nur einen
Wert bis zum Punkte A und nimmt dann Lemäß der Kurve b, die das Spiegelbild der
Kurve a darstellt, wieder ab, so daß er in der darauffol--.enden kurzen 7-eitto
den Punkr B erreicht. Hier soll nun wiederum der Widerstand.- durch Schließen eines
Kontaktes kurzgeschlossen, d.h. ausgeschaltet werden, so daf) der Strom erneut bis
zum Punkt C ansteigt, um dann beim abermaligen Einschalten des Widerstandes wieder
abzufallen. Besteht somit ein ganz bestimmtes Verhältnis von Öffnungs- und Schließungsdauer
des Kontaktes bzw. Ein- und Ausschaltungsdauer des Regelwiderstandes, so wird sich
der Strom auf einen mittleren -\Vert, dargestellt durch die Kurve d, einstellen.
Die in ZVirklichltit über diesen. Wert verlaufenden. sehr kurzen zicl,-7ackförmigen
'Schwankungen sind praktisch von sehr geringer Stärke und verschwenden, da sie erst
indirekt auf den Anker und durch diesen wieder auf die Klemmspannung einwirken,
in ihrer Wirkung vollständig. Bis zu dem Zeitabschnitt, der in der Abbildung mit
cl bezeichnet ist, wurde angenommen. daß die Kontaktschließungszeit t, kleiner ist
als die Kontaktöffnungszeit to. Wird nun dieses Verhältnis von öffnungs-
und Schließungszeit des Kontaktes bzw. von Ein- und Ausschaltzeit des Regelwiderstandes
verändert, also beispielsweise t, größer und t,, daher kleiner, so steigt der mittlere
Strom d salbs;ttätig auf einen höheren Mittehvert, um dann, beispielsweise wenn
das Verhältnis t1 zu to
wieder abnimmt wie nach dem Zeitpunkt t,, wieder abzunehmen.
Wie ersichtlich gehen diese Änderungen des mittleren Stromes sehr schnell von statten,
d. h. schon nach ein- bis zweimaligem Öffnen bzw. Schließen der Kontakte, und dies
hängt, wie man leicht erkennt, vom Verlauf der Kurven a und b, d.
h. der richtigen Bemessung des eingeschalteten Regelwiderstandes, ab. In der Abbildung
sind der übersichtlichkeit halber die öffnungs- und Schließungszeiten 1a bzw. t,
innerhalb der einzelnen Regelperiodien p für die verschiedenen Verhältnisse dargestellt.
Wir haben es somit in diesem Falle mit einer Schnellregelung zu tun, die nach dem
Vibrationsprinzip arbeitet und um so genauer wirkt. je häufiger der Wechsel von
Öffnung und Schließung in der Zeiteinheit stattfindet.
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Die Erfindung hat nun zum Gegenstand eine Anordnung, bei welcher das
obanerwähnte periodische öffnen und Schließen in besonders exakter und sicherer
ZVeise erfolgt, und zwar durch die Ladung und Entladung eines Kondensators, vorzugsweise
unter Verwendung von Elektronenröhren, wodurch eine trägheitslose und stabile Übertragung
der Impulse stattfindet. Hieraus folgt weiterhin eine besonders hohe Konstanz der
zu regelnden Größe gegenüber anderen Einrichtungen, bei denen mehr oder weniger
Reibungs- und Trägheitscrscheinungen
den Regelvorgang ungünstig
beeinflussen.
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Die Abbildung :! zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
bei der das zwangsläufige, periodische öffnen und Schließen des Regelwiderstandes
durch ein Relais stattfindet, während das Verhältnis von öffnungs- und Schließungszeit,
das den jeweiligen Grad der Regeleinrichtung bestimmt, durch die periodische Auf-
und Entladung eines Kondensators stattfindet und in seiner Größe durch die konstant
zu haltende Größe bestimmt wird. Die Abb. z bezieht sich im besonderen auf eine
Spannungsregelung. Es bedeutet i eine Dynamomaschine, der Einfachheit halber eine
Gleichstrommasr_hine mit Fremderregung. z ist die Erregerwicklung, 3 ein Regelwiderstand
und 4. eine fremde Erregerquelle zur Erzeugung eines konstanten Erregerfeldes. Die
Maschine arbeitet auf ein Netz 5. Im Erregerkreis der Maschine liegt nun der Regelwiderstand
6, der durch ein Relais 7 dauernd periodisch ein- und ausgeschaltet wird, so dpß
sich im Erregerkreis der Maschine ein dem Verhältnis der Öffnungs- und Schließungsdauer
der Relaiskontakte i; des Relais 7 entsprechender mittlerer Erregerstrom, wie dies
in Abb. i auseinandergesetztwurde,einstellt. Erfindungsgemäß geschieht nun die Steuerung
der öffnungs-und Schließungsdauer des Relais 7 wie folgt: Im Gitterkreis einer Röhre
8 liegt unter Zuhilfenahme einer geeigneten Vorspannung 9 ein Kondensator 16, der
von einer an den Klemmen eines Widerstandes i o, der iii der Netzspannung lieg,
herrschenden Spannung, die somit abhängig ist von der Klemmenspannung der Maschine
i, die auf konstantem Wert gehalten werden soll, aufg; laden wird. Da der innere
Widerstand einer Röhre abhängig ist von der an ihrem Gitter liegenden Spannung,
so ist durch eine bestimmte Kleinin der Maschine i ein ganz bestimmter Röhrenwiderstand
der Röhre 8 festgelegt. Ändert sich also die Größe der Klemmenspannung, so verändert
sich damit auch die Gittervorspannung der Röhre und hierdurch wiederum der innere
Röhrenwiderstand, und zwar nimmt letzterer bei Erhöhung der Vorspannung ab, bei
Erniedrigung zu. Durch diese letzten Änderungen des inneren Röhrenwiderstandes wird
weiterhin die Ladungs- biw. Entladungszeit eines Kondensators i i, der in Serie
mit einer Vorspannung 12 finit denn Gitter-einer weiteren Röhre 13 verbunden ist,
bestimmt. Die Vorspannung 12 ist dabei so gewählt, daß@ sie der Spannung 14, die
die Anodenstromquelle darstellt, entgegenwirkt. Ist nun beispielsweise der Kontakt
15 des Relais 7 geschlossen, so wird der Kondensator i i durch die Batterie 14 aufgeladen.
Hierdurch wird die Spannung am Gitter der Röhre schließlich so stark positiv, daß
ein Anodenstrom zu fließen beginnt. Ist dieser stark genug, so setzt er das Relais
;, dessen -Vickl.ung im Anodenbeis der Röhre liegt, in Tätigkeit und öffnet dann
den Kontakt 15. Nun beginnt der Kondensator i i sich wieder zu entladen, und zwar
entladet er sich über die Röhre 8 so lange, bis die Spannung am Gitter der Röhre
1 3 wieder so weit negativ geworden ist und infolgedessen der Anodenstrom so weit
zurückgegangen ist, daß der Anker des Relais 7 wieder abfällt und den Kontakt i
7 schließt. -Tun beginnt das Spiel wieder von neuem. Je nach der Größe der am Gitter
der Röhre liegenden Spannung, d.h. indirekt auch der konstant zu haltenden Klemmenspannung
der Maschine i, erfolgt das Laden und Entladen des Kondensators i i und hiermit
das Öffnen und Schließen des Kontaktes 15 mit verschiedenen gegenseitigen Verhältnissen.
Ist beispielsweise die Spannung hoch, so ist der Widerstand der Röhre 8 niedrig,
also erfolgt die Ladung des Kondensators i i beim Schließen des Kontaktes 15 langsam
und die Entladung schnell, wodurch die Schließungsdauer des Kontaktes verhältnismäßig
lang und die Öffnungsdauer verhältnismäßig kurz wird. Wird jetzt dagegen die Gitterspannung
geringer, geht also die K7.emmenspannung der -Maschine zurück, so wird der Widerstand
der Röhre höher, die Ladung erfolgt verhältnisinäfig schneller, die Entladung langsamer,
d. h. mit anderen ZVorten, die Schließungsdauer des Kontaktes 15 wird eine kürzere
und die Öffnungsdauer eine entsprechend längere. Dieselbe Bewegung nun, die der
Kontakt 15 macht, führt ein weiterer durch das gleiche Relais 7 gesteuerter Kontakt
17 aus, der den obenenvähnten Regelwiderstand 6 in den Erregerkreis der Mas c liine
i mit genau gleichen üffnungs- und Schließungsverhältnissen steuert. Im letztgenannten
Beispiel, bei dem die -Maschinenspannung abnehmen möge, resultiert eine Verkürzung
der Schließungsdauer Lind eine entsprechende Verlängerung der öffnungsdawer des
Kontaktes 15 und somit eine Vergrößerung der Schließungsdauer bzw. _ Verkürzung
der öffnungsdau-r des Kontaktes 17. Letzteres ist jedoch, wie ein Blick auf Abb.
i zeigt, gleichbedeutend rni: einer Zunahme des mittleren Erregerstromes d im Erregerkreis
der --Maschine, wie es beispielsweise nach dem in der Abb. i eingezeichneten Zeitpunkt
il der Fall ist. Der praktisch momentan ansteigende -Mittelwort d des Maschinenerregerstromes
hat ein sofortiges Heraufgehen der Klemmenspannung zur Folge, so daß die ursprüngliche
Spannung aufrechterhalten bleibt.
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Abb. 3 zeigt eine analoge Einrichtung ]x°i
Verwendung
der soeben beschriebenen Schaltungseinrzchtung zur Regelung derDrehzahlbzw. zur
Synchronis ersing rotierender Maschinen oder Vorrichtungen. Es handelt sich in Abb.
3 beispielsweise darum, eine Hochfrequenzmaschin.e 18, deren Erregung der
Einfachhit halber fortgelassen ist, auf genau konstanter Drehzahl zu erhalten. Die
Maschine arbeitet auf einen Verbraucherkreis i g, beispielsweise eine drahtlose
Anlage. Die Maschine wird # -LnzD -etrieben durch einen Gleichstromnebenschlußmotor
2ö, dessen Drehzahl auf äußerst konstantem Wert gehalten werden muß, damit die von
der Maschine erzeugten hochfrequenten. Wechselströme einen möglichst konstanten
#Vert ihrer Frequenz beibehalten. Der Antriebsmotor 2o wird aus einem Gleichstromnetz
21 gespeist. Seine Erregerwicklung ist mit 2a bezeichnet. 23 bedeutet wiederum einen
Regelwiderstand im Erregerkreis und 2¢ den ebenfalls im letzteren eingeschalteten
Regelwiderstand entsprechend dem Widerstand 6 nach Abb. z. Die Regelung erfolgt
nun derart, daß ein Wechselstrom konstanter, fester Normalfrequenz v, und ein Wechselstrom
von der Maschinenfrequenz v", in die Spulen 25 und 26 eines Differentialtransformators
geleitet wird, in dessen Sekundärspule 27 ein von der gegenseitigen Phasendifferenz
beider Ströme abhängiger resultierender Strom auftritt. Dieser wird über eine doppelseitig
wirkende Zweiröhrengleichrichteranordnung, bestehend aus den Ventilröhren 28 und
29, gleichgerichtet und an den Klemmen eines Widerstandes 3o abgenommen. Die Spannung
am -#Viderstand 3o ist somit abhängig vom resultierenden Strom in der Spule 27,
dieser wiederum, wie erwähnt, von der gegenseitigen Phasenabweichung der beiden
Ströme der Frequenz v", und v, und, da v, als normal und konstant vorausgesetzt
ist, von Abweichungen der Frequenz v,", d. h. von Änderungen der Umdrehungszahl
der Hochfrequenzmaschine 18 bzw. der Antriebsmaschine 2o.
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Die am Widerstand 3o so entstehende, der jeweiligen Drehzahl -entsprechende
Spannung wirkt nun in genau analoger Weise, wie dies in Abb. 2 der Fall ist, auf
eine Anordnung zur Steuerung eines Relais, welches den Regelwiderstand 2:1 der Antriebsmaschine
2o einschaltet und überbrückt. Die Anordnung besteht aus den beiden Röhren 8 und
13, dem Relais 7 mit Kontakten 15 und 17, Gitter kondensator 16 und Steuerkondensator
i i. g ist die Gitteivorspannungsbatterie der Röhre 8 und 12 diejenige für die Röhre
13, während 1,1 die Anodenstromquelle darstellt.
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Läuft nun z. B. die Maschine um einen nur äußerst geringen Betrag
zu schnell, d. h. wird die Maschinenfrequenz il", um einen geringen Betrag größer,
so ruft der inittlerc L`berlagerungsstrom in der Sekundärspule =; und damit im Widerstand
30 eine derartige Spannungsänderung hervor, daß bei richtiger Einstellung
der Ruhephasendifferenz der beiden Ströme von der Frequenz i"" und v, sowie bei
richtiger gegenseitiger Betät sgung der Kontakt 15 und 17 des Relais ; der resultierend
Ström im lllotorerregerkreis plötzlich einen neuen Wert annimmt, welcher die ursprüngliche
Drehzahl wiederherzustellen sucht. Im bezeichneten Beispiel, also wo die Umdrehungszahl
zugenommen haben möge, nimmt der mittlere Erregerstrom zu, so daß die Zunahmetendenz
der Drehzahländerung bereits im Begriff ihres Entstehens unterdrückt «zrd. Handelt
es sich um die Regelung der Drehzahl, - wie im vorstehenden Beispiel beschrieben,
so muß die Kontrollfrequenz v, praktisch absolut konstant sein. Man kann hierzu
z. B. geeignete Stromquellen, wie piezoelek-trische Kristalloscillatoren, kleine
Röhrensender in gekapselter Ausführung oder auch die verstärkten Ströme eines Normalpendeloscillators
und dgl. venvenden. Handelt es sich um die Synchronisierung zweier rotierender Einrichrichtungen,
beispielweise zweier rotierender Maschinen, so ist unter v, nicht eine örtlich aufgestellte
normale Kontrollfrequenz zu verstehen, sondern bedeutet eine auf die zu synchronisierende
Vorrichtung abgeleitete Wechselfrequenz, die per Draht oder ohne Draht nach der
zu synchronisierenden Einrichtung, also im Falle der Abb- 3. beispielsweise der
Maschine 2o, übersandt wird. Diese letztere auf der Sende- oder auf die zu synchronisierende
Seite zu erzeugende Wechselfrequenz kann beispielweise durch Aufsetzen eines kleinen
'\Vechselstromgenerators auf die Welle der auf die zu synchronisierenden Einrichtung
erzeugt werden. Ein genau gleicher Wechselstromgenerator ist dann auf der Welle
der zu synchronisierenden Vorrichtung, also im "Falle der Abb. 3 beispielsweise
der 'Maschine 2o, anzubringen (entsprechend der Hochfrequenzmaschine 18 nach Abb.
3 t- Sind nun im Falle des Synchronismus beider Vorrichtungen die Frequenzen beider
Wechselströme, einmal diejenige des von der zu synchronisierenden Vorrichtung abgeleiteten
Stromes; das andere Mal diejenige des auf die zu synchronisierende Vorrichtung abgeleiteten
Stromes einander gleich und ist eine richtige gegenseitige Ruhephasendifferenz im
Synchronismus vorhanden, so wird bei der geringsten Abweichung der zu synchronisierenden
Vorrichtung aus dem synchronen Zustande die dabei auftretende Phasendifferenz die
Drehzahl plötzlich entsprechend der -#VirkungsI#veisa der Abb. 3 derart beeinflussen,
daß ein dauernder Synchronismus aufrechterhalten bleibt.
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AuL'er der tin den Ausführungsbeispiele-..i
dargestellten
Beeinlltissung des Erregerstromes eilie#r Maschine zur Spannungs- oder Drehz.tlilregelulig
kann das erfindun"sgemäße Z'erf-,ilireil natürlicherweise auch auf jegliche Art
der Regelung elektrischer Ströme Verwendutig linden. Beispielsweise kann. zwecks
Drehzahlregelung die Leistungsabgabe einer Maschine durch. elektrische Steuerung
einer Wirbelstronibremse, deren Bremsstrom in analoger «'eise wie der Erregerstrom
eitler @Iaschine nach dem der Erfindtmg zugrunde liegenden Prinzip gesteuert wird,
geändert werden.