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Anordnung zur Erzielung einer konstanten Wechselspannung bzw. -leistung
Für viele Zwecke der Elektrotechnik, z. B. für Prüf-, Meß- und Eichzwecke, werden
Einrichtungen benötigt, durch die eine Wechselspannung auf einem konstanten Wert
gehalten wird. Man kann nun in der Weise vorgehen, daß man entweder die von einem
Generator gelieferte, etwa infolge Belastungsänderungen schwankende Spannung passend
regelt. Man kann aber auch aus einem Wechselstromnetz schwankender Spannung ein
Netz mit konstanter Spannung dadurch herleiten> daß man zu der schwankenden Spannung
eine Zusatzspannung solcher Größe addiert, daß die Summenspannung einen Festwert
ergibt. Zweckmäßig geschieht dies derart, daß man die Zusatzspannung stets in einer
Richtung wirken läßt, da andernfalls die von einem Zusatzgenerator gelieferte Zusatzspannung
um den Wert Null herum geregelt oder in ihrer Richtung umgekehrt werden müßte, was
im allgemeinen Schwierigkeiten bereitet.
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Aus diesem Grunde wird die schwankende Netzspannung um ein solches
Maß heruntertransformiert, daß auch bei der höchsten auftretenden Netzspannung die
Zusatzspannung stets in einem einzigen vorgegebenen Sinne wirkt. Die Zusatzspannung
wird im allgemeinen einem Wechselstromgenerator gleicher Frequenz wie die Netzfrequenz
entnommen. Bei der Regelung von Drehstromanlagen, bei denen durch unsymmetrische
Belastung unsymmetrische Spannungsverhältnisse auftreten können, müssen dann drei
Einphasengeneratoren verwendet werden, die in der Regel von einem gemeinsamen Synchronmotor
angetrieben werden.
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Die konstante Wechselspannung erhält man für den Fall der Spannungsregelung
in einem Einphasenwechselstromnetz, indem man die Wechselspannung nach Gleichrichtung
mit einer konstanten Meßgleichspannung vergleicht. Die Differenz zwischen der gleichgerichteten
Netzspannung und der Vergleichsspannung wirkt etwa auf das Gitter eines Entladungsgefäßes,
vorzugsweise eines Elektronenrohres, oder auf eine Reihe solcher Röhren so ein,
daß der durch die Erregerwicklung des Zusatzgenerators fließende Anodenstrom in
einem solchen Sinne geändert wird, daß die aus schwankender Netzspannung und Zusatzspannung
gebildete Summenspannung konstant bleibt. Der aus der zu regelnden Netzspannung,
der Vergleichsspannung und Gitter und Kathode des Entladungsrohres gebildete Indikatorkreiserhält
nun «regen der im allgemeinen unvermeidbaren Netzoberwellen außer der Grundwelle
der Netzspannung auch deren Oberwellenspannung
aufgedrückt. Dadurch
treten in der Praxis vielfach sehr große Schwierigkeiten auf, die weniger von einem
großen als vor allen Dingen schwankenden 'Oberwellengehalt des spei_= senden Netzes
bedingt sind.
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Zur Behebung der von Oberwellen henö:--gerufenen Störungen bzw. zur
Beseitigung' der Oberwellen ist nun seit langem bekannt, elektrische Schwingungskreise
bzw. Siebketten zu verwenden. Es liegt also nahe, die dem Verbraucher zugeführte
Spannung bzw. die bei konstantem Belastungswiderstand im Verbraucher umgesetzte
Leistung dadurch auf einem Festwert zu halten, daB die gesamte dem Speisenetz schwankender
Spannung (und dem Zusatzgenerator) entnommene Leistung durch Siebkreise gefiltert
wird, so daß praktisch sowohl die dem Verbraucher zugeführte Spannung als auch die
dem Indikatorkreis des Zusatzgenerators zugeführte Spannung praktisch frei von störenden
Oberwellen ist.
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Eine solche Ausführung der Sieblcetten bei den vorbeschriebenen Schaltungen
würde mit einem großen Kosten- und Materialaufwand verbunden sein, da die gesamte
Verbraucherleistung durch .die Siebkreise hindurchgehen muß. Da, wie eingangs erwähnt,
der Indikatorkreis des Reglers infolge seiner großen Regelempfindlichkeit ebenfalls
eine große Oberwellenempfindlichkeit besitzt, ist es notwendig, die Aussiebung der
Oberwellen sehr weitgehend durchzuführen, um auf dem bisher bekannten Wege eine
einigermaßen zufriedenstellende Wirkung zu erzielen. Dazu ist es notwendig, Siebkreise
mit großer Gliederzahl und mit sehr geringer Dämpfung zu verwenden, was andererseits
bei Veränderungen, Belastuhg u. dgl. hohe Einstellzeiten im Regler mit sich bringt.
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Die vorgenannten, durch Oberwellen selbst, insbesondere durch einen
schwankenden Oberwellengehalt hervorgerufenen Nachteile werden nun gemäß der Erfindung
dadurch vermieden, daß die Siebketten zur Beseitigung der Oberwellen bzw. der Oberwellenschwankungen
nur im Indikatörkreis angeordnet werden.
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Dies hat den Vorteil, daß jetzt im Gegensatz zu der oben beschriebenen
Anordnung nur die geringe für die Deckung der Verluste im Indikatorkreis notwendige
Meßleistung durch die Siebanordnung geführt werden muß. Das bedeutet aber, daß die
Siebkreise verhältnisznüßig klein werden und daß gleichzeitig günstigere Verhältnisse
in bezug auf die, Regelgeschwindigkeit erzielt werden. Eine solche Siebanordnung
wird die an ihrem Eingang auftretenden Schwankungen der Grundwellenspannungen an
dem indikatorseitig gelegenen Ausgange ungeändert wiedergeben, während Schwankungen
der- - Oberwellenspannungen auf eine verhältnismäßig kleine, für die Regelung unschädliche
Größe vermindert werden.
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'==_:Eine solche Schaltung scheint zunächst ,k*,ne vollständige Lösung
der eingangs getellten Aufgabe zu liefern, da die Oberwellen-Spannungen und ihre
Änderungen, wie später noch auseinandergesetzt wird, zwar keine störenden Fehlregelungen
durch den Indikatorkreis ergeben, da jedoch die zu dem Verbraucher fließende Leistung
wegen der in der schwankenden Spannung des Netzes und gegebenenfalls in- der Spannung
des Zusatzgenei#ators vorhandenen Oberwellen Schwankungen durch Oberwellenleistungsänderungen
aufweist. Die den Verbrauchern zugeführte Oberwellenleistung ist an sich klein.
Wird die Konstanthaltung der Verbraucherleistung gefordert, so spielt nur die Veränderung
der Oberwellenleistung infolge der Veränderung des verhältnismäßigen Anteiles der
Oberwellenspannung in der Grundwellenspannung eineRolle, die zahlenmäßig meistens
nur einen geringen Bruchteil der verhältnismäßigen Oberwellenleistung darstellt.
Aus diesem Grunde reicht es auch bei sehr genauen Spannungs- und Leistungsregelungen,
völlig aus, den genannten Weg der teilweisen Oberwellenbefreiung zu beschreiten,
was auch durch zahlreiche Versuche bestätigt worden ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
Das Weehselspannungsnetz r, aus welchem der größte Teil der Leistung unmittelbar
für die Verbraucher entnommen wird, soll beispielsweise so geregelt werden, daß
die Grundwellenspannung bzw. die Gesamtverbraucherleistung sehr genau konstant gehalten
wird. Zu diesem Zweck wird zunächst die Spannung des einphasigen Wechselstromnetzes,
beispiessweise durch den Entwicklungstransformator a, um einen bestimmten Betrag
herabgesetzt und zu der herabgesetzten Netzspannung eine Zusatzspannung durch den
EinphasengeneratOr 4 hinzugefügt. Die Summenspannung, also die Spannung des geregelten
Netzes 3, speist die nicht näher bezeichneten Verbraucher. Der zur Erzeugung der
Zusatzspannung verwendete Einphasengenerator 4 wird von einem Synchronmotor 5 angetrieben,
der seinerseits an das mit dem Netz z synchrone Drehstromnetz 6 angeschlossen ist.
Die Erregerwicklung 9 des Einphasengenerators wird beispielsweise von einer besonderen
Spannungsquelle, z. B. dem Erregergenerator io, gespeist, wobei der Erregerstrom
in der Erregerwicklung 9 durch die Elektronenröhren des nachfolgend beschriebenen
Spannungsreglers gesteuert wird. Die Regelung erfolgt in der Weise, daß die Spannung
des
zu regelnden Netzes 3 zunächst über einen Transformator 14 dem indikatorkreis des
Reglers 7 aufgedrückt wird. An den Transformator 14 wird"zu diesem Zweck über einen
konstanten Widerstand ig beispielsweise ein Sch-,vingungskreis 18 angeschlossen,
der aus einer Parallelschaltung eines Kondensators und einer Selbstinduktion besteht.
(An die Stelle des Schwingungskreises 18 und des Widerstandes ig kann auch beispielsweise
ein Reihenschwingungskreis treten, wobei denn ig eine Induktivität und 18 eine Kapazität
ist.) Der im Ausführungsbeispiel gezeichnete Schwingungskreis 18 ist nun etwa auf
die Grundfrequenz des Netzes 3 abgestimmt, so daß in der Netzspannung auftretende
Oberwellen einen geringen Spannungsabfall in der Kapazität von 18, aber einen großen
Spannungsabfall in dem hierfür entsprechend bemessenen Widerstand ig erzeugen. Die
dem eigentlichen Indikatorkreis - dem Gleichrichterrohr 15, dem Kondensator 16 und
seinem Entladewiderstand 2o - zugeführte Spannung ist damit weitgehend von Oberwellen
und Oberwellenschw ankungen befreit. Zur Entfernung der noch restlichen Welligkeit
der Kondensatorspannung 16 dient ein aus dem Widerstand a2 und dem Kondensator 23
bestehender weiterer Siebkreis, in den auch die konstante Vergleichspannung - Element
21 - eingefügt ist. Die aus der Kondensatorspannung 16 und der Vergleichspannung
des Elementes 2i gebildete Spannungsdifferenz wird nun dem Gitter des Elektronenrohres
17 zugeführt, das das Eingangsrohr eines Gleichstromwiderstandsverstärkers bildet.
Die Anodenspannung für das Rohr 17 liefert irgendeine Gleichspannungsquelle 24,
etwa ein Gleichrichter. Die Spannungsschwankungen im Anodenkreis des Eingangsrohres
werden unter Abzug einer an der Gleichspannungsquelle 24 abgenommenen Gegenspannung
vom Widerstand 13 abgenommen und dem Gitter des Elektronenrohres i i zugeführt und
dort verstärkt. Das Elektronenrohr i i mit seinem zur Anpassung bzw. Einstellung
eines Grundstromes dienenden Widerstand 12 verändert abhängig von der Jeweils herrschenden
Gitterspannung seinen Anodenstrom in der Weise, daß der durch die Erregerwicklung
g fließende Erregerstrom einen zur Erzielung einer konstanten Verbraucherspannung
passenden Wert annimmt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Steigt beispielsweise
die Spannung des Netzes 3 etwa durch Abschaltung von Verbrauchern um einen gewissen
Betrag, so erhöht sich auch die Spannung am Transformator 14 und, bei zunächst fortgedachten
Oberwellen, die gleichgerichtete Spannung am Eingangskondensator 16. Das Gitter
des Rohres 17 erhält damit -ein höheres positives Potential als vorher;:-der Anodenstrom
durch das Rohr 17 steigt an, ebenso der Spannungsabfall am Widerstand 13. Das bedeutet,
daß das Potential des Gitters des Rohres i i stärker negativ wird als vorher; der
Anodenstrom des Rohres i i und damit der Erregerstrom des Zusatzgenerators 4 sinkt,
dessen Zusatzspannung nimmt ab, und diese Abnahme erfolgt gerade so, daß die ursprüngliche
Zunahme der Spannung des Netzes 3 durch eine Abnahme der Zusatzspannung des Zusatzgenerators
4 wieder ausgeglichen wird.
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Führt die Wechselspannung des Netzes 3 jedoch außer der Grundwelle
Oberwellen, so würde in der schon bekannten Indikatorkreisschaltung bei einer solchen
Lage der Oberwellen gegenüber der Grundwelle, daß der höchste Augenblickswert der
verzerrten Netzspannung größer ist als der Scheitelwert der Grundwellenspannung
des Netzes, der Indikatorkreis auf diese Oberwellenspannung wenigstens teilweise
ansprechen. Würde der Entladewiderstand 2o fehlen, dann würde sich die Spannung
des Kondensators 16 auf den höchsten Wert, der zu irgendeinem Zeitpunkt jemals auftritt,
einstellen (Spitzenwertmessung). Denkt man sieh beispielsweise der Grundwelle eine
ungradzahlige Oberwelle solcher Phase überlagert, daß im Zeitpunkte des Scheitelwertes
der Grundwelle die verzerrte Netzspannung größer ist als die Grundwellenspannung,
so würde bei einer Belastung durch Verbraucher die Netzspannung zunächst absinken,
die Oberwellenspannung jedoch in einem anderen Maße als die Grundwellenspannung.
Nimmt man an, daß die Absenkung der Oberwellenspannung prozentual stärker erfolgt
als die der Grundwellenspannung, dann bedeutet 'dies, daß nach Eintritt der Belastung
die Netzspannungskurve glatter geworden ist. Da der Indikator aber vorher fast den
Spitzenwert der verzerrten Netzspannung als scheinbare Netzspannung verzeichnete,
wird jetzt infolge der fast fehlenden Oberwelle beinahe der Scheitelwert der Grundwelle
eingeregelt. Die Spannung der Zusatzmaschine würde also durch diesen Vorgang mehr
erhöht, als der Änderung der augenblicklichen Grundwellenspannung im Verbrauchernetz
entspräche, und damit würden dem Verbraucher eine größere Grundwellenspannung und
auch eine größere Leistung zugeführt. Die Erhaltung der konstanten Leistung im Verbraucher
wäre damit unmöglich gemacht.
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Bei Verwendung der Siebkreise gemäß der Erfindung wird je nach Güte
der Siebkreise die Grundwellenspannung und damit die Grundwellenleistung sehr genau
konstant gehalten.
Fehler treten hier nur noch dadurch auf, daß
eine Veränderung der Oberwellen im Netz auch eine Veränderung der Oberwellenleistung
im Verbraucher mit sich bringt. Beträgt die Veränderung der Oberwellen selbst etwa
io °1o, so beträgt die Änderung der Oberwellenleistung bei rein Ohmschen Verbrauchern
1 °/o. Diese Veränderung ist auch bei sehr genauen Regelungen zu vernachlässigen.
Die zur Beseitigung der Oberwellenempfindlichkeit in den Indikatorkreis eingeführte
Siebkette bringt natürlich bei geringer Dämpfung eine Schwierigkeit mit sich, indem
j etzt auch die dem Regler zugeführte Grundwellenspannung abhängig wird von Veränderungen
der Netzfrequenz. Es ist daher notwendig, in den Siebkreis oder in den Indikatorkreis
eine Dämpfung solcher Größe anzubringen, daß die üblichen Netzfrequenzschwankungen
nur solche Spannungsschwankungen der Grundwelle hervorrufen, die klein sind gegenüber
den durch die übrigen Netzverhältnisse hervorgerufenen Spannungsschwankungen. Ferner
ist durch passende Bemessung des Siebkreises Vorsorge zu treffen, daß der Indikatorkreis
sich auf schnelle Frequenzänderungen des Netzes, die als Schaltvorgänge für den
Schwingungskreis wirken, so schnell einstellt, daß die Einschwingezeit dieses Kreises
kleiner ist als die Zeitkonstante der im Netz auftretenden Störungen.
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Die Regelanordnung kann auch so beschaffen sein, daß dem im Indikatorteil
des Reglers vorgesehenen Kondensator eine Spannung zugeführt wird, die sich aus
der gleichgerichteten, mit Oberwellen versehenen Netzspannung und einer entgegengerichteten
Gleichspannung zusammensetzt, deren Größe von dem Oberwellenteil abhängig ist. In
diesem Fall fehlt in dem darge§tellten Ausführungsbeispiel der aus dem Schwingungskreis
i8 und dem Widerstand ig bestehende Siebkreis.
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Der Transformator 14 arbeitet dann einmal über einen Gleichrichter
15 auf einen Kondensator 16, an dem eine Gleichspannung erzeugt, wird, deren Höhe
der Summe von Grundspannung und Oberwellenspannung entspricht. Gleichzeitig speist
der Transformator 14 z. B. über eine dritte Wicklung eine Kondensatorkette, bestehend
aus Kapazitäten im Leistungszuge und quer geschalteten Induktivitäten. Eine solche
Siebkette hat bekanntlich die Eigenschaft, oberhalb einer bestimmten Frequenz Oberwellenspannungen
bevorzugt hindurchtreten zu lassen. Am Ausgang dieser Kette tritt demnach eine Spannung
auf, die praktisch dem Wert aller Oberwellenspannungen entspricht. Wird an die Ausgangsseite
der Kette über einen Gleichrichter ein zweiter Kondensator angeschlossen, so tritt
an diesem eine Gleichspannung auf, die der Summe der Oberwellenspannungen entspricht.
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Durch Subtraktion dieser Gleichspannung von der obenerwähnten, aus
der Grundwelle und den Oberwellen zusammengesetzten Gleichspannung erhält man eine
der Grundwelle der Netzspannung entsprechende Steuerspannung, die dem Eingang des
Regelkreises zugeführt wird.
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Die beschriebene Anordnung ist nicht nur verwendbar für elektrische
Regler der beschriebenen und dargestellten Art, sondern auch für sämtliche anderen
Arten von Reglern, die mit elektrischen Indikatoren versehen sind.