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Anordnung zur Regelung technisch-physikalischer Betriebsgrößen Es
ist bereits vorgeschlagen worden, zur Regelung einer technisch-physikalischen Betriebsgröße,
z. B. der Spannung, einen aus einer eisenhaltigen Drosselspule und einem Kondensator
bestehenden Kreis zu verwenden. Beispielsweise hat man zur Regelung der Spannung
an diese oder an eine ihr proportionale Spannung die Reihenschaltung aus einer eisenhaltigen
Drosselspule und einem Kondensator angeschlossen und die gleichgerichtete Spannung
des Kondensators auf die Vormagnetisierungswicklung einer Drosselspule zur Einwirkung
gebracht, welche in dem zu regelnden Kreise liegt. Steigt die Verbraucherspannung,
so nimmt der Strom des kippfähigen Kreises und damit die Spannung des Kondensators
stark zu, und die Vor-Inagnetisierung der Drosselspule wird verstärkt. Ist diese
über einen Vorschaltwiderstand an die Netzspannung angeschlossen und liegt parallel
zu ihr der Verbraucher, so wird damit .die Verbraucherspannung in gewünschter Weise
konstant gehalten. Man hat auch bereits vorgeschlagen, eine Drosselspule parallel
zu den Wechselstromklemmen eines Gleichrichters zu schalten, welcher die Erregerspannung
für einen Generator liefert, und den genannten Kreis von der Generatorspannung zu
beeinflussen. Dann wird, wenn die gleichgerichtete Kondensatorspannung die Gleichstromwicklung
der parallel zum Erregergleichrichter liegenden Drosselspule beeinflußt, bei einer
Erhöhung der Generatorspannung -der Nebenschluß zum Erregergleichrichter verringert,
wodurch in gewünschter Weise die Generatorspannung abnimmt. Man hat auch vorgeschlagen,
als Steuerkreis die Parallelschaltung einer eisenhaltigen Drosselspule und eines
Kondensators zu verwenden, wobei in Reihe zur Parallelschaltung ein Widerstand liegt.
Richtet man beispielsweise die Spannung dieses Widerstandes
gleich,
so erhält man in dem Gebiet, in dem der aufgenommene Strom dieser Anordnung kapazitiv
ist, bei zunehmender Spannung an diesem Steuerkreis einen abnehmenden Steuerstrom
bzw. eine abnehmende Steuerspannung. Wird bei einer Generatorregelung der Transformator,
welcher den die Erregerspannung liefernden Gleichrichter speist, von der Summe nveier
Ströme erregt, von denen der eine dem Generatorstrom proportional ist, während der
andere dem Strom einer an die Netzspannung angeschlossenen Drosselspule proportional
ist, so erreicht man, wenn die Steuergleichspannung auf eine Gleichstromwicklung
dieser Drosselspule einwirkt, daß bei Erhöhung der Netzspannung die Vormagnetisierung
der Drosselspule verringert und damit die Erregung des Generators geschwächt wird.
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Auch andere Schaltungen mit aus Kondensatoren und eisengesättigten
Drosselspulen bestehenden Kreisen zur Regelung sind vorgeschlagen bzw. bekannt,
bei denen die angelegte Spannung geändert wird. Man kann auch Kreise verwenden,
bei denen der zugeführte Strom sich ändert, und an diesen Kreisen Spannungen bzw.
Ströme abnehmen, die bei einer geringen Änderung des zugeführten Stromes sich stark
ändern.
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Bei allen diesen Anordnungen zeigt sich der Nachteil, daß bei sehr
genauer Einstellung, also bei einer Einstellung, bei der im Regelbereich in Abhängigkeit
von der dem Steuerbreis zugeführten Spannung (bzw. Strom), die der zu überwachenden
Größe proportional ist, der Strom bzw. die Spannung des Kreises sich außerordentlich
stark ändert (horizontaler Teil der Stromspannungskennlinie), Überregelungen auftreten
können. Auch können Pendelungen in Erscheinung treten.
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Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß über
Gleichrichter ein Energiespeicher von einer Größe dieses Steuerkreises beeinflußt
wird. Vorzugsweise wird man dabei zur Beeinflussung des Energiespeichers (z. B.
Drosselspule oder Kondensator) eine Größe verwenden, die sich bei Änderung der an
dem Steuerkreis liegenden Spannung bnv. des Stromes sehr stark ändert. Durch diesen
Energiespeicher wird vorübergehend bei Änderung der an dem Steuerkreis liegenden
Spannung bzw. des Stromes die Kennlinie dieses Steuerkreises geändert, wodurch Pendelungen
und Überregelungen vermieden werden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach der Erfindung soll an Hand eines-
Reihenresonanzkreises im folgenden näher erläutert werden In Fig. i ist an die zu
regelnde Spannung, die im Ausführungsbeispiel durch einen Generator i dargestellt
ist, die eisenhaltige Drosselspule 2 und der Kondensator 3 angeschlossen. Parallel
zu diesem Kondensator liegt ein Gleichrichter 4, an welchen ein Ohmscher Widerstand
5 angeschlossen ist. Dieser Widerstand soll den Widerstand darstellen, -auf welchen
die gleichgerichtete Spannung des Kondensators einwirkt. Dieser Widerstand könnte
alo beispielsweise den Widerstand darstellen,' an dem die Gitterspannung für eine
Röhre abgenommen wird, deren Aussteuerung von dem kippfähigen Kreis geregelt werden
soll. In Fig, 2 ist die Charakteristik dieses Kreises dargestellt, und zwar in Abhängigkeit
vom Strom die an dem Kreis liegende Spannung. Die Charakteristik ist mit a bezeichnet.
Der Kreis kann, wobei der Ohmsche Widerstand 5 zu berücksichtigen ist, so eingestellt
werden, daß die Charakteristik im Regelbereich horizontal oder annähernd horizontal
ist. Die Folge davon wäre, daß zwar die Spannungsschwankungen, die von der Regeleinrichtung
aus geregelt werden, außerordentlich klein wären, aber es könnten leicht Überregelungen
auftreten, weil bei einer kleinen Netzspannungsänderung bereits ein außerordentlich
großer Strom des Resonanzkreises bzw. eine außerordentlich große Steuerspannung
zur Verfügung steht. Schaltet man erfindungsgemäß parallel zum Gleichrichter 4 einen
Kondensator 6, so bedeutet dies, daß sich bei plötzlichen Spannungserhöhungen der
Gleichrichter .I so verhält, als wäre er kurzgeschlossen. Die Folge davon ist, daß
bei einer Erhöhung der Netzspannung zunächst die statische Kennlinie b in Fig. 2
gilt, welche angenähert die gleiche Neigung besitzt wie die Kennlinie c der gesättigten
Drosselspule 2. Der Strom des Resonanzkreises springt daher zunächst auf einen von
dieser Kennlinie bestimmten Wert an, um dann langsam auf den statischen Endwert
anzusteigen. Es ist also hier die Wirkung einer elastischen Rückführung vorhanden,
in der bei astatischer Regelung eine vorübergehende Statik wirksam ist. Diese Wirkung
läßt sich durch Vorschalten einer Luftspaltdrosselspule vor die gesättigte Drosselspule
noch erhöhen. Ähnliche Überlegungen führen dazu, daß auch bei plötzlichen Spannungserniedrigungen
zunächst eine statische Kennlinie b gilt. Durch die Wirkung des über den Gleichrichter
angeschlossenen Energiespeichers, also des Kondensators 6, wird demnach die Kennlinie
der Anordnung bei Veränderungen der angelegten Spannung vorübergehend geändert.
Wenn man daher beispielsweise in Abhängigkeit vom Strom des Reihenresonanzkreises
die Steuerung vornehmen würde, so würde bei einer Änderung der Netzspannung
nicht
sofort ein sehr großer Steuerstrom entsprechend der statischen Kennlinie a. vorhanden
sein, sondern zunächst nur ein begrenzter Sprung erfolgen, und dann würde langsam
ein größerer Steuerstrom auftreten. Wird, wie im Ausführungsbeispiel angenomrnen,
als Steuerspannung die Spn.nnung am Widerstand 5 benutzt, so steigt,diese bei einer
plötzlichen Änderung der Primärspannung nur langsam an, entsprechend der Aufladung
des Kondensators 6. Es tritt dadurch noch eine weitere Verzögerung der Regelwirkung
ein. Diese wird noch dadurch vergrößert, daß wegen der zunächst vorübergehend wirkenden
Statik, die vorher erläutert wurde, der Strom des Kondensators 6 nicht sofort steil
in die Höhe geht, sondern entsprechend der Charakteristik b zunächst auf einen bestimmten
Wert ansteigt, um dann langsam auf den statischen Regelwert anzusteigen. Durch diese
Anordnung werden daher Überregelungen vermieden.
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Wird beispielsweise die gleichgerichtete Spannung des Kondensators
3 benutzt, um die Vorrnagnetisierung einer Drosselspule zu verändern, so kann man
sich im Ersatzschaltbild die Anordnung so vorstellen, als wäre der Gleichrichter
4. durch die Reihenschaltung einer Induktivität 7 und eines Ohmschen Widerstandes
9 belastet, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Bei einer derartigen Anordnung können
bereits Pendelungen auch schon dann auftreten, wenn die am Resonanzkreis angelegte
Spannung konstant bleibt, d. h. also, wenn vom Resonanzkreis keine Regelwirkung
ausgeübt wird. Die Ursache dieser Erscheinungen liegt darin, daß bei Einstellung
der. Kennlinie des Resonanzkreises in der Weise, daß diese einen horizontalen oder
eingehend horizontalen Bereich besitzt, die bei einer plötzlichen Gleichspannungsänderung
vorübergehend wirksame Kennlinie eine negative Statik hat. Infolgedessen treten
Pendelungen auf. Verstärkt wird diese Erscheinung noch dann, wenn vom Steuerkreis
ein Regeleinfiuß ausgeübt wird, wegen der Trägheit der Regelorgane. Es können daher
auch Pendelungen dann auftreten, wenn die Kennlinie stärker ansteigend ist, aber
der Steuerkreis auf die an ihm angelegte Spannung regelnd einwirkt. Schaltet man
parallel einen Kondensator 8, so kann man diese Pendelungen vermeiden. Die Größe
des Kondensators richtet sich nach der Einstellung des Kippkreises und .der Trägheit,
mit welcher die zu regelnde Größe der Steuerspannung bzw. dem Steuerstrom folgt
(z. B. magnetische Trägheit bei Generatorregelung). Ein Grenzfall ist dabei der,
bei dem vor dem Kondensator 8 noch ein Widerstand ro geschaltet ist. Macht man die
Ohmsehen Widerstände 9 und ro gleich groß und macht man ferner die Zeitkonstante
des den Kondensator 8 enthaltenden Kreises gleich der Zeitkonstante des die Drosselspule
7 enthaltenden Kreises, so verhält sich-bei plötzlichen Änderungen der Gleichspannung
dieses Gebilde so, als wäre ein rein Ohmscher Widerstand an den Gleichrichter .4
angeschlossen. Eine Rückwirkung auf das Verhalten des Kippkreises findet also in
diesem Falle nicht statt. Unter der Voraussetzung, daß der Kippkreis keine Regelwirkung
ausübt und der Kippkreis unter Berücksichtigung des Ohmsehen Widerstandes 9 so eingestellt
ist, daß er eine annähernd horizontale Charakteristik im Regelbereich besitzt, würde
bei der angegebenen Bemessung gerade keine Pendelung auftreten; wohl würde sie aber
auftreten, wenn eine Regelwirkung über Organe ausgeübt wird, z. B. Erregerwicklung
des Generators, die Verzögerung besitzen.
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Macht man den Kondensator 8 etwas größer, so nimmt bei einer plötzlichen
Erhöhung der Gleichspannung der Gesamtstrom T zunächst plötzlich zu, steigt dann
noch weiter auf einen Scheitelwert an, um dann schließlich auf den Endwert abzunehmen.
Das bedeutet, daß bei plötzlichen Netzspannungsänderungen zunächst .eine astatische,
dann eine positiv statische und schließlich wieder die astatische Regelkurve gilt.
Der Eisenresonanzkreis versucht also zunächst eine. große Änderung -der zu regelnden
Größe herbeizuführen, dann eine kleine (Abwarten der Regelauswirkung) und schließlich
entsprechend der statischen Kurve (horizontaler Teil der Charakteristik) eine sehr
große Änderung hervorzurufen. Würde beispielsweise, wie angenommen, die Induktivität
7 die Vormagnetisierungswicklung einer Drosselspule sein, so würde an der Vormagnetisierungswicklung
dieser Drosselspule zunächst eine hohe Spannung liegen, die dann vermindert wird
(Abwarten der Regelauswirkung) und schließlich entsprechend einer statischen Regelung
wieder ansteigt. Mit dieser Anordnung könnte man auch regeln, wenn der Kippkreis
auf eine geringe negative Statik im Regelbereich eingestellt ist. Die Einstellung
auf negative Statik hat den Vorteil, daß die Spannung bzw. die zu regelnde Größe
noch genauer konstant gehalten werden bzw. ein größerer Bereich des Kippkreises
ausgenutzt werden kann.
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Soll der erste Sprung in der Steuerspannung nicht zu hoch werden,
so kann man bei der angegebenen Schaltung den in Reihe zum Kondensator 8 liegenden
Widerstand ro verkleinern; dann springt die Regelspannung zunächst auf einen durch
diesen Widerstand begrenzten Wert, fällt dann ab und steigt schließlich wieder an.
Bei
plötzlicher Verringerung der an dein Resonanzkreis liegenden Spannung springt die
Steuerspannung zunächst auf einen kleinen Wert, steigt dann an und fällt schließlich
wieder ab.
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Will man den V erlauf ,der Steuerspannung ändern; so kann man die
Größe des Kondensators ändern oder den Ohmschen Widerstand, der vor dem Kondensator
liegt. Man kann auch mehrere Reihenschaltungen voll Kondensatoren und Widerständen
parallel zum Gleichrichter legen, wobei man die Kondensatoren oder die Widerstände
oder beide der verschiedenen Reihenschaltungen verschieden groß machen kann.
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Das Vorschalten eines Ohmschen Widerstandes vor den Kondensator kann
nicht nur dann angewendet werden, wenn die Steuerspannung auf eine Induktivität
wirkt, sondern auch dann, wenn sie auf einen Ohmschen Widerstand wirkt. Es ist auch
nicht unbedingt erforderlich, daß die gleichgerichtete Kondensatorspannung als Steuerspannung
zur Regelung benutzt wird, sondern man könnte auch z. B. die Wechselspannung des
in Reihe zur gesättigten Drosselspule liegenden Kondensators verwenden. Verwendet
man aber die gleichgerichtete Kondensatorspannung, dann wird man vorzugsweise an
denselben Gleichrichter, der die Steuerspannung liefert, auch den Kondensator 8
und gegebenenfalls den Widerstand io anschließen.
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Durch die beschriebenen Anordnungen kann man eine außerordentlich
genaue Regelung erhalten, ohne daß Überregelungen oder Pendelungen auftreten. Bei
der Einstellung des Kippkreises ist darauf zu .achten, daß auch der an den Gleichrichter
angeschlossene Ohmsche Widerstand, wenn nicht mit ihm ein Kondensator in Reihe geschaltet
ist, bei der Abstimmung zu berücksichtigen eist. Der Kondensator selbst und der
mit ihm in Reihe liegende Widerstand dagegen wirken nur bei vorübergehenden Veränderungen.
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Bei der Erläuterung war angenommen worden, daß die Kennlinie im Regelbereich
horizontal verläuft, es wurde deshalb von einer asiatischen Regelung -gesprochen.
Die Erfindung kann aber auch angewendet werden, wenn die Kennlinie etwas ansteigt
oder, wie bereits auch früher erwähnt, sogar wenn sie eine negative Statik besitzt.
Auch hier werden durch Anwendung der Erfindung Überregelungen und Pendelungen vermieden.
Die Größe des Widerstandes und des Kondensators -und des mit ihm gegebenenfalls
in Reihe liegenden Widerstandes richtet sich nach der Einstellung des Resonanzkreises
und der Trägheit, mit der die vom Eisenresonanzkreis ausgeübte Regelwirkung die
zu regelnde Größe beeinflußt. In -Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
für die Generatorregelung dargestellt. ii ist der Synchrongenerator, dessen Erregerwicklung
12 über einen Gleichrichter 16, der z. B. aus vier Trockengleichrichtern in Graetzscher
Schaltung bestehen kann, gespeist wird. Dieser richtet die Summe zweier Spannungen
gleich, und zwar einer stromabhängigen, die von dem mit Luftspalt versehenen Transformator
13 erzeugt wird und einer von der Belastung nahezu unabhängigen Spannung, die vbn
.dem Transformator 14 geliefert wird. Parallel zum Gleichrichter auf der Wechselstromseite
liegt eine Drosselspule 15, deren Gleichstromwicklung 17 von einem
Gleichrichter 18, der z. B. aus vier Trockengleichrichtern in Graetzscher Schaltung
besteht, gespeist wird. Die Erregung des Gleichrichters 18 erfolgt durch den aus
der eisenhaltigen Drosselspule i9 und dem Kondensator 2o bestehenden Reilienresonanzkreis,
der von der Spannung des Netzes über eine Drosselspule 23 gespeist wird. Parallel
zum Resonanzkreis liegt ein Kondensator 24. Der aus der Drosselspule 23 und dem.
Kondensator 24 bestehende Resonanzkreis hat die Aufgabe, bei Frequenzänderungen
die Spannung an dem aus der gesättigten Drosselspule i9 und dem Kondensator 2o bestehen-,den
Kreise konstant zu halten und ferner die Oberwellen fernzuhalten. Zum Unterschied
von den früheren Anordnungen wird hier der Gleichrichter 18 nicht allein von der
Kondensatorspannung beeinflußt, sondern noch von einer Zusatzspannung, welche der
gesättigten Drosselspule i9 entnommen wird und die so gewählt ist, daß die Steuerspannung
in dem Gebiet Null ist, in welchem die Drosselspule ungesättigt ist.
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In Fig.5 ist der Teil der Drosselspannung UD, der mit der Spannung
UC die Steuerspannung Ust ergibt, mit UD bezeichnet. Man sieht, daß erst dann, wenn
sich die Netzspannung dem Wert nähert, welcher der horizontalen Kennlinie entspricht,
eine Steuerspannung auftritt, .die bei geringer Vergrößerung der Netzspannung sehr
stark ansteigt. ,Parallel zum Gleichrichter 18 liegt ein Widerstand 2 1 in
Reihe mit einem Kondensator 2a.
Diese werden so bemessen, daß keine Pendelungen
oder Überregelungen auftreten. Bei der Bemessung ist dabei zu berücksichtigen; daß
die Regelung verzögert ist, d. h. daß eine Änderung der Steuerspannung nicht sofort
eine Änderung der Netzspannung auslöst, sondern daß die Änderung der Netzspannung
erst zeitlich wegen der Trägheit des Erregerkreises nachfolgt.
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Man könnte auch beispielsweise bei dieser Anordnung vom Strom der
eisenhaltigen Drosselspule über Gleichrichter eine Drosselspule
als
Energiespeicher speisen. Auch dadurch würde man Pendelungen vermeiden.
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Wie bereits erwähnt, ist die Anordnung nach der Erfindung nicht darauf
beschränkt, d@aß eine Spannung konstant gehalten wird. Will man eine andere Größe
konstant halten, beispielsweise die Temperatur eines elektrischen Ofens, so wird
man diese in eine Spannung umwandeln und diese Spännung auf den Resonanzkreis zur
Einwirkung bringen, der beispielsweise über Gleichrichter eine Drosselspule beeinflußt,
die den Heizstrom für den elektrischen Ofen, dessen Temperatur konstant gehalten
werden soll, regelt.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung bei einem
Reihenresonanzkreis angewendet. Sie kann aber auch sinngemäß für andere Resonanzkreise
angewendet werden. Beispielsweise könnte man einen Steuerkreis verwenden, der aus
der Parallelschaltung eines Kondensators und einer eisenhaltigen Drosselspule besteht,
wobei in Reihe dazu ein Widerstand angeschlossen ist. Dieser Widerstand kann beispielsweise
so bemessen werden, daß in Abhängigkeit von der gesamten an diesem Kreis herrschenden
Spannung .der aufgenommene Strom annähernd horizontal im kapazitiven Bereich verläuft.
Nimmt man die an dem Vorschaltwiderstand herrschende Spannung als Steuerspannung,
indem man sie beispielsweise gleichrichtet, so würde bei einer geringen Änderung
der an dem Steuerkreis herrschenden Spannung sich die Steuerspannung außerordentlich
stark ändern. Auch hier könnte man, ähnlich wie früher beschrieben, dadurch, daß
man parallel. zum Gleichrichter einen Kondensator und gegebenenfalls noch .dazu
in Reihe einen Widerstand legt, erreichen, daß die vorübergehend wirksame Kennlinie
eine positive Statik besitzt. Man würde also auch hier vorübergehend die Kennlinie
des Steuerkreises durch diesen Energiespeicher verändern.
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In sinngemäßer Weise kann auch die Erfindung für andere Steuerkreise,
die wenigstens eine eisenhaltige Drosselspule und einen Kondensator aufweisen, angewendet
werden und auch beispielsweise für Steuerkreise, bei denen die Veränderliche der
dein Steuerkreis zugeführte Strom ist.
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Um zu verhindern, daß bei Auftreten sehr hoher Spannungen am Resonanzkreis
der Gleichrichter, der als Energiespeicher meist verwendete spannungsempfindliche
Elektrolytkondensator und der Resonanzkreis (z. B. 19, 2o in Fig. d.) überlastet
werden, kann man noch zur Spannungs- und Strofnbegrenzung eine weitere gesättigte
Drosselspule vorsehen. Beispielsweise kann man bei der Anordnung nach Fig. .t parallel
zum Gleichrichter auf der Wechselstromseite eine Drosselspule schalten, die bei
sehr hoher an ihr liegender Spannung sich sättigt und dadurch den Spannungsanstieg
begrenzt. In Fig. 4. liegt diese Drosselspule parallel zum Gleichrichter und ist
mit 26 bezeichnet. Sie ist im normalen Betrieb ungesättigt und vermindert etwas
die Wirkung der Kapazität ig, was bei der Abstimmung mitzuberücksichtigen ist. Sie
könnte aber auch beispielsweise als Spartransformator zur Lieferung der Spannung
des Gleichrichters 18 dienen, indem bei der Anordnung nach Fig. .4 der Gleichrichter
18 an eine Anzapfung der Drossel i8 angeschlossen wind.
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Der von dem Kippkreis gespeiste Ohmsche Widerstand besteht meist aus
dem Widerstand der aus Kupfer bestehenden Vormagnetisienungswicklung und dem Gleichrichterwiderstand
selbst, die stark temperaturabhängig sind und zum Teil der Alterung unterworfen
sind. Dadurch können beträchtliche Regelfehler auftreten. Für das Einhalten einer
bestimmten Regelkennlinie ist es wesentlich, daß die im Kippkreis vorhandenen, vom
Strom abhängigen Verluste prozentual möglichst wenig von sonstigen physikalischen
Größen abhängen. Man schaltet daher im einfachsten Fall, z. B. bei der Anordnung
nach F ig. 3, einen konstanten Verlustwiderstand auf der Wechselstromseite des Gleichrichters
parallel (kleiner Ohmbetrag) oder in Reihe (großer Ohmbetrag) mit demselben. Dadurch
wird sowohl die Vormagnetisierungsleistung und die Gleichrichterverlustleistung
nur ein Bruchteil, z. B. 1/'3, von der gesamten Verlustleistung des Kippkreises.
Die Vorsch.altung eines Ohmschen Widerstandes vor den Gleichrichter kann auch beispielsweise
angewendet werden bei der oben beschriebenen Anordnung, bei der der Steuerkreis
aus der Parallelschaltung einer Kapazität und einer Drosselspule und einem zu dieser
Parallelschaltung in Reihe liegenden Widerstand besteht und die Spannung dieses
Widerstandes gleichgerichtet wird. Man könnte auch diesen Widerstand im Verhältnis
zum Gleichrichterwiderstand klein wählen. Auch bei anderen Steuerkreisen kann man
die relative Änderung des wirksamen Ohmschen Widerstandes des gesamten Regelkreises
durch Ohmsche Zusatzwiderstände verringern.