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Einrichtung zur selbsttätigen elektrischen Regelung einer technisch-physikalischenBetriebsgröße
auf einen Sollwert mit Hilfe einer in Stufen arbeitenden Regeleinrichtung Zur Regelung
der Blindleistung in Wechselstromnetzen werden bekanntlich vielfach. statische Kondensatoren
bzw. Kondensatorbatterien verwendet, welche je nach dem Bedarf an Blindleistung
ganz oder gruppenweise an das Wechselstromnetz angeschlossen werden. Bei der Bemessung
der Leistung der einzelnen Kondensatoreinheiten wäre es an sich günstig, mit Rücksicht
auf die Regelfähigkeit möglichst viele Einheiten geringer Leistung zu verwenden,
auf der anderen Seite steigen jedoch die Anlagekosten mit der Zahl der einzelnen
zu- und abschaltbaren Kondensatoreinheiten, und man ist daher, insbesondere bei
Anlagen kleiner Leistung, bestrebt, möglichst mit einer einzigen Kondensatorbatterie
auszukommen. Diese Batterie wird so bemessen, daß bei einem mittleren Wert des Belastungsstromes
und der Phasenverschiebung dieses Stromes gegenüber der Netzspannung von der Kondensatorbatterie
ein voreilender Strom erzeugt wird, der die resultierende Phasenverschiebung des
Netzbelastungstromes auf den von den Stromlieferanten vorgeschriebenen Wert bringt.
Wenn nun in einem Versorgungsgebiet eine größere Anzahl derartiger Stromverbraucher
angeschlossen ist, die zur Verbesserung des cos p ihrer Anlage eine einzige wahlweise
zu-und abschaltbare Kondensatorbatterie verwenden, so besteht die Gefahr, daß in
Zeiten geringer Netzbelastung von der Gesamtheit dieser Kondensatorbatterien derart
viel Blindleistung in das Netz geliefert wird, daß es nicht mehr möglich ist, durch
Entregen der Generatoren die Netzspannung zu halten. Es wird - daher von den Stromlieferanten
vielfach vorgeschrieben, daß von den Stromverbrauchern Regeleinrichtungen verwendet
werden müssen, die dafür sorgen, daß der cos cp ihrer Anlage einen bestimmten Wert,
beispielsweise o,95 voreilend, nicht überschreitet.
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Bei der Entwicklung von Regeleinrichtungen, welche diese Aufgabe lösen,
stößt man auf Schwierigkeiten, die im folgenden an Hand eines Vektordiagramms erläutert
werden sollen. In Fig. i sind Stromdiagramme aufgetragen, welche für verschiedene
von einem Verbraucher aus einem Wechselstromnetz entnommene Belastungsströme .T
gezeichnet sind. Es ist dabei angenommen, daß eine Kondensatorbatterie zur Verfügung
steht,
welche bei der gegebenen Netzspannung einen voreilenden Blindstrom Ic liefert. E
ist der Vektor der Netzspannung, mit dem Pfeil ist `der Drehsinn -der Vektoren angedeutet.
Nimmt man als erstes Beispiel an, daß der Belastungsstrom die Größe 11 hat, so ergibt
sich als geometrische Summe dieses Stromes mit dem Kondensatorstrom I, ein resultierender
Netzbelastungsstrom 1n1, der um den Winkel qpl gegenüber der Spannung nacheilt.
Wenn, wie bereits erwähnt, ein bestimmter voreilender Winkel To als höchstzulässige
Voreilung des resultierenden Stromes gegenüber der Spannung vorgeschrieben wird,
so kann .bei einem Belastungsstrom 1i der Kondensator eingeschaltet sein. Ändert
sich die Phasenverschiebung zwischen dem Belastungsstrom und der Netzspannung bei
gleichbleibendem effektiven Wert derart, daß der Strom die Vektorlage
13 annimmt, so ergibt sich aus dem Diagramm, daß der als geometrische Summe
aus 1, und T, gebildete resultierende Netzbelastungsstrom T"3 eine Phasenverschiebung
cps gegenüber der Spannung hat, die den vorgeschriebenen Grenzwert cpo überschreitet.
Die Kondensatorbatterie müßte bei dieser Lage des Belastungsstromes I3 abgeschaltet
werden. Das gleiche gilt auch für den in dem Diagramm noch eingezeichneten Belastungsstrom
12, welcher der Spannung gegenüber die gleiche Phasenverschiebung aufweist wie der
Belastungsstrom I1, dessen Effektivwert jedoch wesentlich kleiner ist. Auch in.
diesem Falle eilt der resultierende, aus. 1, und T, gebildete Netzbelastungsstrom
1" der Netzspannung um einen Winkel p2 vor, der größer ist als der Grenzwinkel Da
der Phasenverschiebungswinkel zwischen dem resultierenden Netzbelastungsstrom und
der Netzspannung das Kriterium für die Zu- und Abschaltung der Kondensatorbatterie
ist, wird man zweckmäßig zur Überwachung dieser Schaltung ein cos g-Relais verwenden.
Für das erwähnte Beispiel, bei dem der Belastungsstrom durch den Vektor
1, wiedergegeben ist, würden sich dabei folgende Verhältnisse ergeben: Bei
abgeschaltetem Kondensator hat der resultierende Netzbelastungsstrom den Wert 1"
eilt also der Spannung um einen bestimmten Winkel nach, der auf jedem Fall innerhalb
der vorgeschriebenen Grenze der Phasenverschiebung liegt. Das cos cp-Relais würde
die Kondensatorbatterie zuschalten, wenn angenommen wird, daß das Relais anspricht,
solange der Stromvektor sich nicht in dem. Bereich des Winkels cpo befindet. Nach
dem Zuschalten entsteht jedoch ein Netzbelastungsstrom T"3, dessen Phasenwinkel
den zulässigen Grenzwert überschreitet, und die Kondensatorbatterie müßte durch
den cos (p-Regler wieder abgeschaltet werden. Dies bedeutet, daß, wenn keine Gegenmaßnahmen
getroffen werden, der Kondensatorschalter dauernd ein-und ausgeschaltet wird, d.
h. man erhält das sogenannte »Pumpen« des Kondensatorschalters.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Regeleinrichtung, welcher die Aufgabe
zugrunde liegt, die vorstehend erläuterten Schwierigkeiten zu beseitigen. Diese
Aufgabe kann, wenn man von dem zur Erläuterung der Verhältnisse gewählten Beispiel
absieht, etwa wie folgt gekennzeichnet werden: Eine von irgendwelchen nicht vorausbestimmbaren
Erscheinungen abhängige technisch-physikalische Größe soll auf einen bestimmten
Wert, den Sollwert, elektrisch geregelt werden. Zur Regelung steht eine in Stufen
arbeitende Regeleinrichtung, welche ein- oder mehrstufig sein kann, zur Verfügung,
mit Hilfe deren die zu regelnde Größe im Sinne einer Annäherung an den gewünschten
Sollwert verändert werden kann. Der elektrische Regler soll selbsttätig so arbeiten,
daß unter der Voraussetzung eines bestimmten vorhandenen Istwertes der zu regelnden
Größe die nächste Reglerstufe nur dann zu- oder abgeschaltet wird, wenn die zu regelnde
Größe durch diesen Regelvorgang ihrem Sollwert genähert wird.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Regeleinrichtung unter
dem Einfluß einer der Einschaltung der nächsten Reglerstufe entsprechenden Scheingröße
steht, und zwar derart, daß die Einschaltung dieser Stufe dann und nur dann erfolgt,
wenn die Scheingröße dem Sollwert der zu regelnden Größe näher liegt als der vor
dem Schalten vorhandene Istwert der zu regelnden Größe. Wenn es sich, wie bei dem
oben geschilderten Beispiel, darum handelt, durch den selbsttätig arbeitenden Regler
eine bestimmte Zusatzgröße zur Wirkung zu bringen oder nicht, so wird die Scheingröße
erfindungsgemäß aus dem Istwert der zu regelnden Größe und der Zusatzgröße gebildet,
und diese Summe wirkt auf den Regler bzw. das den Regler steuernde Relais ein. Bezogen
auf das Vektordiagramm der Fig. i ist der Belastungsstrom I die Istgröße, der Kondensatorstrom
T, die Zusatzgröße, und der als geometrische Summe dieser beiden Vektoren gebildete
Strom In ist die als Scheingröße bezeichnete Vektözgröße. Scheingröße ist
entweder der wirkliche Netzbelastungsstrom selbst oder ein gemäß der Erfindung auf
die Regeleinrichtung einwirkender Scheinbelastungsstrom, der die Summe aus dem Belastungsstrom
T und dem Kondensatorstrom T, darstellt bzw. dieser Vektorsumme
proportional
ist. Stellt man den selbsttätigen Regler derart ein, daß die Kondensatorbatterie
jeweils nur dann zugeschaltet wird, wenn der Phasenverschiebungswinkel der Scheingröße
gegenüber der Netzspannung den in Fig. i mit p, bezeichneten Grenzwert nicht überschreitet,
daß die Batterie jedoch abgeschaltet wird, sobald der Phasenverschiebungswinkel
zwischen Scheingröße und Netzspannung den Grenzwert überschreitet, so erhält man
eine Regeleinrichtung, welche die oben näher bezeichnete Aufgabe befriedigend löst,
ohne daß die Gefahr des Pumpens an dem Schalter entsteht. Das Prinzip der gemäß
der Erfindung vorgesehenen Regeleinrichtung kann für den Sonderfall der Kondensatorbatterie
auch folgendermaßen gekennzeichnet werden: Der in Abhängigkeit von dem Leistungsfaktor
des Netzes arbeitende Regler bzw. das Anzeigegerät,: welches die Zu- oder Abschaltung
der Kondensatorbatterie bestimmt, soll bei abgeschaltetem Kondensator denselben
cos(p anzeigen, als ob der Kondensator an das Netz angeschlossen wäre.
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In Fig. 2 ist als Ausführungsbeispiel einer Regeleinrichtung nach
der Erfindung das Schaltungsschema für ein Leistungsfaktorrelais i angegeben, durch
welches eine Kondensatorbatterie 2 selbsttätig mit dem Netz verbunden oder von dem
Netz getrennt werden soll. Wenn der Netzschalter 3 der Kondensatorbatterie eingeschaltet
ist, so steht das Leistungsfaktorrelais i unter dem Einfluß der beiden Spannungswandler
4 und 5 und des Stromwandlers 6. Die Stellung des Relais hängt also von der geometrischen
Summe aus Belastungsstrom und Kondensatorstrom und von dem Phasenverschiebungswinkel
dieses resultierenden Stromes gegenüber der Netzspannung ab. Sobald dieser Phasenverschiebungswinkel
den an dem Leistungsfaktorrelais eingestellten Grenzwert (cpo -in Fig. i) erreicht
hat, wird der Netzschalter 3 der Kondensatorbatterie 2 ausgeschaltet. Gemäß der
Erfindung ist mit dem. Netzschalter ein Hilfsschalter 7 gekuppelt, durch den die
Kondensatorbatterie 2 an die Sekundärwicklungen zweier Hilfsspannungswandler 8 und
9 angeschlossen wird, die zu der Sekundärwicklung des Stromwandlers 6 parallel geschaltet
sind. Das übersetzungsverhältnis der beiden Spannungswandler 8 und 9 ist dabei derart
gewählt, daß der in Abhängigkeit von der Sekundärspannung dieser Spannungswandler
von der Kondensatorbatterie 2 dem L eistungsffaktorrelais zugeführte Strom den gleichen
Wert hat wie die in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 6 bei eingeschaltetem
Kondensator 2 fließende Komponente J" (vgl. Fig. i). Die Wirkung der Schaltung ist
daher so, daß das Leistungsfaktorrelais stets auf die Vektorsumme J -f- J,
anspricht unabhängig davon, ob die Kondensatorbatterie mit dem Netz verbunden ist
oder nicht. Zum Schutz des Leistungsfaktorrelais werden zweckmäßig noch Schutzwiderstände
io und 1i parallel zu den Sekundärwicklungen der Hilfswandler 8 und 9 angeordnet.
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In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Kondensatorbatterie, Leistungsfaktorrelais und die zugehörigen Schalter und Spannungs-
bzw. Stromwandler sind ebenso bezeichnet, wie in dem Schaltungsschema nach Fig.2.
Die in Fig.3 angegebene Schaltung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig.2 dadurch,
daf) die beiden Hilfswandler 8 und 9 im abgeschalteten Zustande der Kondensatorbatterie
2 nicht an diese Batterie selbst, sondern an Hilfskondensatoren 13 und 1
¢ angeschlossen sind. Der in diesen Hilfskondensatoren fließende Strom bestimmt
den Spannungsabfall in den Meßwiderständen 15 und 16 im Stromkreis des Leistungsfaktorrelais
i. Die Anordnung von Hilfskondensatoren hat den Vorteil, daß man in der Wahl der
Sekundärspannungen der Hilfswandler 8 und 9 und in der Bemessung der Meßwiderstände
15 und 16 im Relaisstromkreis von der Größe der Kondensatorbatterie 2 unabhängig
ist. In dem Schaltungsschema sind noch zwei Zeitrelais 17 und 18 angegeben, die
dazu dienen, zwischen dein Ansprechen des Leistungsfaktorreglers und dem Zu- oder
Abschalten der Kondensatorbatterie. 2 eine bestimmte Verzögerungszeit einzuschalten.
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In den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Fig. 2 und
3 dargestellt sind, wird beim Einschalten der Kondensatorstufen der Hilfsstromkreis
des Leistungsfaktorrelais ausgeschaltet, d. h. bei der Anordnung nach Fig. 3 werden
die Hilfskondensatoren 13 und 1q. abgeschaltet, so daß das Leistungsfaktorrelais
nunmehr unter dem Einfluß des von dem eingeschalteten Kondensator abhängigen Netzstromes
steht. Diese Anordnung läßt sich noch vereinfachen, wenn man das in Fig. q. gewählte
Schaltungsschema anwendet. Danach sind der Stromwandler 20 für das Leistungsfaktorrelais
21 und der Spannungswandler 22 für den Hilfskondensator 23 in die Verbindungsleitung
zwischen das Netz 24 und den Verbraucher 25 geschaltet. Parallel dazu liegt
der Kondensator 26, dessen Schalter 27 durch das Leistungsfaktorrelais 21 gesteuert
wird. In diesem Falle kann der Hilfskondensator 23 dauernd mit dem Leistungsfaktorrelais
2 i verbunden bleiben. Die Regeleinrichtung arbeitet derart, daß der Kondensator
26 zugeschaltet
wird, sobald der von dem Relais 2 i gemessene Leistungsfaktor
einen bestimmten Wert erreicht. Überschreitet der Leistungsfaktor .die bei der Anlage
vorgeschriebene Grenze, so wird die Batterie abgeschaltet und mit Hilfe des Kondensators
23 wird durch das Relais 21 der Zeitpunkt festgestellt, zu dem der Kondensator 26
wieder eingeschaltet werden kann, der Zeitpunkt nämlich, bei dem die Belastungsverhältnisse
des Verbrauchers 25 sich so weit geändert haben, daß der Leistungsfaktor bei eingeschaltetem
Kondensator 26 die Sollgrenze nicht überschreitet.
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Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Regeleinrichtung nach
der Erfindung nicht auf das für die Beschreibung besonders herangezogene Beispiel
einer, zur Blindstromlieferung dienenden Kondensatorbatterie beschränkt ist, sondern
daß die Erfindung noch auf anderen Gebieten anwendbar ist. Einige von diesen seien
nachfolgend aufgeführt: Regelung der Spannung von Kondensatoren, der zu übertragenden
Leistung bei Netzkupplungsumformern, der Drehzahl von Motoren; ferner Spannungs-
und Leistungsfaktorregelung in Wechselstromverteilungs-und Übertragungsanlagen mit
Hilfe von in Stufen zu- und abschaltbaren Kondensatoren oder Drosselspulen. Auch
für die Steuerung nicht elektrischer Größen auf indirekte Weise läßt sich die Erfindung
anwenden, beispielsweise zur Regelung der Temperatur von elektrisch beheizten Öfen,
deren Stromquellen nur wenige Regelstufen besitzen.
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Wie bereits betont wurde, besteht ein wichtiges Merkmal der Erfindung
darin, daß eine ScheingrUe verwendet ,wird, welche an Stelle der zu regelnden Größe
selbst auf die Regeleinrichtung bzw. auf das die Regeleinrichtung steuernde Relais
einwirkt. Je nach den besonderen Bedingungen des technischen Gebietes, für das die
Erfindung angewendet werden soll, kann diese Scheingröße auf verschiedene Weise
gewonnen werden. In jedem Falle muß eine Art Ersatzstromkreis vorgesehen werden,
in dem die beabsichtigten Schalthandlungen vorgenommen werden können, um die dadurch
erzielbare Wirkung im voraus bestimmen zu können. Man wird sich stets in irgendeiner
Form einer Art Nachbildung des wirklichen Stromkreises bedienen. Handelt es sich,
wie bei der Temperaturregelung von Öfen, um die Steuerung nicht ,elektrischer Größen,
so kann auch hier eine Nachbildung vorgesehen werden, indem z. B. ein kleiner Ofen
gewählt wird, der im gleichen Zustande ist wie der zu regelnde Ofen und bei dem
zunächst die voraussichtliche Auswirkung der Regelschaltung ermittelt wird.