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Elektrische astatische Regeleinrichtung zur Regelung von über gesteuerte
Stromrichter beeinflußbare Regelgrößen Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
astatische Regeleinrichtungen für beliebige Regelzwecke. Um z. B. die infolge von
Einflüssen (Induktivitäten und Kapazitäten) im Gleichstromnetz eines Gleichrichters
veränderliche Gleichspannung konstant zuhalten, regelt man die Zündpunktlage der
Gleichrichteranoden mittels Steuergittern. Dies erfolgt z. B. in der Weise, daß
man, wie in Fig. i dargestellt, dem das Gleichstromnetz speisenden Hauptgleichrichter
a, der über den Transformator t am Netz n liegt, ein gleichphasiges Gleichrichtersystem
parallel schaltet, das entweder aus einer der Phasenzahl entsprechenden Anzahl einanodiger
Glühkathodenröhreu gebildet ist oder ein mehranodiger Metalldampfgleichrichter sein
kann. Die Steuergitter g des Hauptgleichrichters a erhalten einnegatives Sperrpotential
aus einem die Belastung des Hilfsgleichrichters ai bildenden Widerstand r. Das Steuerpotential
wird den Gittern j über Stromwandler si, s. usw. in den Anodenzuleitungen des Hilfsgleichrichters
an, der über den Transformator 1i am Drehstromnetz n liegt, cyclisch zugeführt.
Zur Änderung der Phasenlage der Steuerspannung gegenüber der Primärspannung des
Netzes und damit des Einsetzens der Anoden des Hauptgleichrichters a kann man in
bekannter Weise z. B. den Transformator t. als Drehtransformator ausbilden. Man
kann aber auch den I l ilfsgleichrichter a, mit Steuergittern g, versehen, die aus
einer zweiten Sekundärwicklung des Transformators und einer veränderlichen Gleichspannung
gespeist werden. In Abhängigkeit der Steuerung des Hilfsgleichrichters a1 wird dann
die Zündpunktlage des Hilfsgleichrichters und ferner die Zündpunktlage des Hauptgleichrichters
verändert, so daß infolgedessen die Gleichspannung des Gleichstromnetzes rz, geregelt
wird.
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Um nun die Gleichspannungsregelung selbsttätig zu gestalten, kann
man eine konstante Gleichstromquelle, z. B. eine Batterie b, als Sollwert
und Vergleichsspannung mit der Gleichspannung des Netzes iti benutzen. Die positiven
oder negativen Abweichungen zwischen dem Sollwert und der Netzspannung iz sind an
den Klemmen x, y meßbar. Diese Abweichungen werden als Fehlergleichstrarn F zwischen
der gemeinsamen Kathode Y des aus einanodigen Glühkathodenröhren zusammengesetzten
Hilfsgleichrichters a, und dein Sternpunkt X der zweiten Sekundärwicklung des Transformators
t, angelegt. Diese Gleichspannung wird in Verbindung mit der Wechselspannung der
zweiten Transformatorwicklung den Zündzeitpunkt des Hilfsgleichrichters und damit
den Hauptgleichrichter regeln. Auf diese Weise wird der gemessene Fehler F selbsttätig
ausgeregelt, Diese Einrichtung hat noch den Nachteil, daß der Fehler nie ganz zum
Verschwinden gebracht werden kann. Tritt nämlich ein F ehler F auf und bewirkt dieser
in der zuletzt beschriebenen Weise über das Hilfsgleichrichtersy stem eine ganz
bestimmte Berichtigung der Gleichspannung des Hauptgleichrichters a, so
verschwindet
der Fehler wieder, und damit verschwindet auch die durch den Fehler hervorgerufene
Regelung. Es wird sich dabei nach der Einregelung eine Gleichspannung am Hauptgleichrichter
a einstellen, die im Vergleich mit dem Sollwert einen Fehler aufweist, der zwischen
Null und dem vor der Regelung gemessenen Fehler liegt. Die Regelung arbeitet somit
unvollkommen, d. h. sie hat eine gewisse Statik. Je mehr beispielsweise die Gleichspannung
des Netzes abnimmt, um so mehr korrigiert die Regelung; aber es wird doch immer
eine Gleichspannung am Hauptgleichrichter auftreten, die kleiner ist als die Netzspanmmg.
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Man kann diesen Übelständen dadurch abhelfen, daß man einen Verstärker
v in die von x, y ausgehenden Leitungen einbaut, der den Fehler F derart verstärkt,
daß die geringste Abweichung der Netzspannung gegenüber der Sollspannung der Batterie
b schon genügt, um eine Regelung der ganzen Regeleinrichtung auszulösen. Es wird
dann möglich sein, die Statik der Regeleinrichtung so weit herabzusetzen, daß die
Regelcharakteristik des Hauptgleichrichters praktisch nur ganz unwesentlich von
der horizontal verlaufenden Charakteristik einer konstanten Spannung abweicht. Es
wird aber unmöglich sein, mit einer solchen Regeleinrichtung eine Überregelung zu
erreichen oder gar die Regelung nach Belieben einzustellen. Eine astatische Regelung
läßt sich nur dann erreichen, wenn man die durch den Fehler F bei x, y gemessene
Spannung auch erhalten kann, nachdem der Fehler F wieder verschwunden ist.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine elektrische astatische Regeleinrichtung
zur Regelung von über gesteuerte Stromrichter beeinflußbare Regelgrößen unter Verwendung
eines in eine Spannung oder einen Strom umgesetzten Meßw.ertes, der sich aus dem
Vergleich der zu regelnden Istgröße mit ihrem Sollwert ergibt, bei welcher erfindungsgemäß
dieser Meßwert einer aus mindestens zwei gittergesteuerten und auf Widerstände arbeitenden
Elektronenröhren bestehenden Hilfseinrichtung zugeführt wird, die unter Benutzung
der im geradlinigen Teil der Röhrencharakteristik bei Rückkopplungsschaltungen bestehenden
labilen Schwingungslage eine nur der Richtung, nicht aber der Größe nach dem Meßcver
t entsprechende Regelspannung erzeugt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in Fig. 2
und 3 für die Regelung der Spannung eines Gleichstromnetzes dargestellt. Fig. ¢
zeigt eine Charakteristik der Röhren G, und G...
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In Fig. z bedeuten G1 und G,> Elektronenröhren mit je einer Batterie
B1 und B, und je einem Anodenwiderstand R, tuid R=. Die Gitterspainiung der Röhre
G., wird am Widerstand 1i, die Gitterspannung der Röhre G, "-Widerstand 1.y abgenommen.
Der Fehler F `wird den Klemmen x und y im Gitterkreis der Röhre G, aufgedrückt.
Zwischen den Klemmen X und Y wird die Regelspannung abgenommen, die
den Klemmen X und Y am Transformator t, bzw. am Hilfsgleichrichter
a, zugeführt wird.
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Zum Verständnis der Schaltung diene die in Fig. q angegebene Charakteristik,
die für beide Röhren G, und G" gilt. Sie stellt den bekannten Verlauf des Anodenstromes
bei konstanter Anodenspannung in Funktion der Gitterspannung dar. Es sei angenommen,
die beiden Röhren arbeiten im Punkt C der Charakteristik mit dem Anodenstrom
OB und der negativen Gitterspannung 0A. Diese Gittervorspannungen werden
an den Anodenwiderständen g1 und R; zwischen gemeinsamer Kathode und den Punkten
P, bzw. P.# abgegriffen. Die beiden Batterien Bi und B. geben die erforderlichen
Anodenspannungen.
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Betrachtet man jetzt die Röhre G, und nimmt an, ihr Arbeitspunkt werde
durch einen vorläufig belanglosen Anstoß nach C' verschoben. Der Anodenstrom erhöht
sich dann von OB nach OB'. Der Spannungsabfall im Widerstand R1 nimmt zu,
und die Gitterspannung "der Röhre G2 erhöht sich von 0A nach 0A", so daß ihr Arbeitspunkt
sich längs der Charakteristik von C nach C" verschiebt. Der Anodenstrom der Röhre
G" sinkt von OB nach OB", und der Spannungsabfall am Widerstand ,R"
nimmt ebenfalls ab. Die an diesem Widerstand abgegriffene Gitterspannung der Röhre
G, sinkt ebenfalls, und zwar bei geeigneter Einstellung der Schaltung genau auf
den Wert 0A'. Man erkennt, däß die Schaltung auch mit Röhre G, im Arbeitspunkt C'
und Röhre G; im Punkt C" im -Gleichgewicht ist. Da aber die Röhrencharakteristik
geradlinig ist, bestehen unendlich viele solcher Gleichgewichtslagen. Es könnte
z. B. auch die Röhre G, im Punkt C" und Röhre G= in C' arbeiten. Die Schaltung ist
für beliebige Anodenstromverhältnisse beider Röhren innerhalb des geradlinigen Teiles
der Charakteristik im Gleichgewicht.
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Verwendet man diese Schaltung zur astatischen Spannungsregelung eines
Gleichrichters nach der Anordnung der Fig. ?, so ergibt sich folgendes: Die Fehlerspannung
an den Klemmen x_ und y wird in den Gitterkreis der Röhre G, eingefügt, und an den
Klemmen X und Y wird die zur Steuerung der Steuerröhren a, erforderliche Spannung
abgenommen. Nimmt man zunächst an, der Gleichrichter habe gerade die erforderliche
Sollspannung, so ist die Spannung an den Klemmen x und y
Null,
und der Regler befindet sich im Zustand der Fig. -, d. h. zwischen den Klemmen X
und Y kann die Spannung Null sein, oder es kann auch eine positive oder eine negative
Spannung bestehen, je nachdem sich der Arbeitspunkt der Röhren in der Mitte oder
der einen oben und der anderen unten befindet. Für die Fehlerspannung Null können
also zwischen \ullpunkt des Transformators 1l und der Kathode der Steuerröhren rcl
ganz verschiedene Spannungen bestehen.
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Nimmt man nun an, daß der Arbeitspunkt beider Röhren z. B. in der
Mitte der Charakteristik sei und es entstehe eine Fehlerspannung an den Klemmen
x und y, so tritt im Gitterkreis der Röhre G, eine zusätzliche Gitterspannung auf,
durch welche der Regler angestoßen wird. Er wird eine andere Gleichgewichtslage
auf der Charakteristik suchen, bis an den Klemmen x und y der Fehler
verschwunden ist. Man erkennt, daß dieser Elektronenregler vollkommen astatisch
ist, weil er so lange arbeitet, bis der Fehler vollkommen verschwunden ist und weil
die Einstellung der Steuerung der Steuerröhre unabhängig von der Größe des Fehlers
eine beliebige sein kann. Nur die Richtung und nicht die Grö1'e der Fehlerspannung
vermag den Regler zu beeinflussen. , In Fig.3 sind Kondensatoren I(1 angebracht,
die dafür sorgen, daß rasche :inderungen des Anodenstromes, z. B. der Röhre G, nicht
sofort auf das Gitter der Röhre G2 gelangen. Eine Änderung im Anodenstrom der Röhre
G1 erzeugt eine J@nderung der Gitterspannung der Röhre G.# erst, nachdem die Ladung
des Kondensators I(1 sich entsprechend dem geänderten Spannungsabfall am Widerstand
I21 geändert hat. Bei langsamen Änderungen spielen die Kondensatoren I(1 keine Rolle.
Man hat es daher in der Hand, durch Bemessung der Kondensatoren I(1 die Eigenfrequenz
des Reglers für eine günstige Regelung einzustellen. Man kann auch einen Kondensator
I(= an die Anschlußpunkte x, y des FehlersF anlegen. Ferner kann man zur Erhöhung
der Ansprechempfindlichkeit der astatischen Regeleinrichtung gemäß der Erfindung
die unter dem Einfluß des Meßwertes stehende Hilfseinrichtung durch Zwischenschaltung
einer Verstärkereinrichtung zwischen die Punkte x, y anschließen. Man kann
weiter zur Erhöhung des Regelbereiches der astatischen Regeleinrichtung die Hilfseinrichtung
mit den die Regelspannung liefernden Punkten X Y an die Punkte
X Y des,Transformators t1 bzw. des Hilfsgleichrichters a,-durch einen Verstärker
anschließen.
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Die Wirkungsweise der astatischen Regeleinrichtung gemäß der Erfindung
wurde im Zusammenhang mit einem Gleichrichter zur Regelung der Spannung des Gleichstromnetzes
erläutert; sie kann ohne weiteres zur Regelung des Stromes verwendet werden, indem
man in eine Gleichstromleitung einen Shunt i einfügt, wie in Fig. i gestrichelt
angedeutet, und an dessen Klemmen die Spannung abnimmt und letztere über einen Verstärker
v1 führt. Diese verstärkte Spannung wird dann mit dem Sollwert einer Batterie verglichen,
und der Fehlwert wird zur Hilfseinrichtung gemäß Anspruch i geführt.
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Es ist selbstverständlich, daß die beschriebene Regeleinrichtung auch
zur Regelung von Wechselrichtern verwendet werden kann. Man kann auch mit diesem
Regler Maschinen regeln, indem dann die Erregung der betreffenden Maschinen nicht
mehr von einer Erregermaschine, sondern von einem Gleichrichter, der in der angegebenen
Art geregelt wird, gespeist wird. Will man beispielsweise die Spannung einer Gleichstrommaschine
regeln, so wird mit Hilfe einer Batterie der. Fehler der Gleichspannung bestimmt
und mit dieser der Fehlwert dem Regler zugeführt, der dann einen Hilfsgleichrichter
steuert, von welchem aus ein Hauptgleichrichter den Erregerstrom der Gleichstrommaschine
regelt. Es können auch Drehzahlen auf diese Art geregelt werden. Der Fehler wird
dann aus der Differenz zwischen der Spannung einer Tachometerdynaino und einer Batterie
bestimmt. Der Regler regelt wieder über Hilfsgleichrichter und Gleichrichter den
Antrieb der Maschine. Handelt es sich darum, die Spannung einer Wechselstr omnaschine
zu regeln. so wird die zu regelnde Spannung über einen kleinen Hilfsgleichrichter
gleichgerichtet, und dann wird wieder in ähnlicher Weise wie oben der Fehlbr dieser
gleichgerichteten Spannung benutzt, um über Regler, Hilfsgleichrichter und Gleichrichter
die Erregung der betreffenden Wechselstrommaschine zu regeln. In ähnlicher Weise
kann auch der erwähnte Regler zur Steuerung von Umrichtern oder selbständigen Wechselrichtern
verwendet werden, um die erzeugte Wechselspannung zu regeln. Auch dann wird die
erzeugte Wechselspannung über einen Hilfsgleichrichter gleichgerichtet zur Ermittlung
des Fehlers durch Vergleich mit einer Batterie.
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Die Regeleinrichtung wurde bisher an Hand der Steueranordnung nach
Fig. i erklärt. Es ist selbstverständlich, daß die Regeleinrichtung auch in Verbindung
mit anderen Steueranordnungen verwendet werden kann.