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Anordnung zur Regelung auf konstante Leistung in elektrischen Speisestromkreisen
Die Regelung von elektrischen Stromkreisen, insbesondere Spannungserzeugern,' kann
nach drei Gesichtspunkten erfolgen: Regelung auf konstante Spannung, konstanten
Strome Moder konstante Leistung, gegebenenfalls auch auf konstante Drehzahl, was
jedoch nur für Motoren in Frage kommt. Betrachtet mann zunächst Generatoren, so.
genügt für die meisten Fälle einer der bekannten mechanischen Regler (Tirrill o,.
dgl.), die sowohl auf konstante Spannung als. auch auf konstanten, Strom regeln
können. Für alle Regelaufgaben., die eine schnelle Ausregelung, z. B. innerhalb
weniger Perioden, erfordern, hat man Röhrenstoßregler entwickelt.
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Eis hat sich gezeigt, daß für gewisse im Betrieb auftretende Anforderungen
die bisher seltene Regelung einer Maschine auf kon-.stante Leistung ebenfalls erforderlich
werden kann. Die bishez hierfür bekanntgewordenen Reglez arbeiten alle mechanisch
und enthalten im allgemeinen ein wattmetrisches Glied. Dieses wattmetrische Glied
arbeitet meistens zusammen mit je einem Strome- und Spannungsregler, oder aber es
wird dadurch ,erhalten, daß je eine Spule von einem der Summe vom: Strom und Spannung
und einem der Differenz von Strom und Spannung propüTtionalen Strom durchflossen
wird und daß die Zugkräfte der beiden Spulen in entsprechcndez Weise addiert bzw.
subtrahiert werden. Praktisch trägheitslas arbeitende Regler wie die oben angegebenen
Röhrenregler sind bisher nur für die Strom- und die Spannungsreglung ausgelegt wozden
oder aber für eine Stromreglung, die eine Grunderregung schafft, wobei dann ein
Spannungameßglied die Feinregelung nachträglich ausführt:
Das geschah;
um die durch die Spannungsstoßregelung allein hervorgerufene Flimmerbelästigung
durch die erzeugte Spannung zu unterdrücken. Während nun die: mechanischen Konstantleistungsregler
teuer' sind und im allgemeinen für größere Lern--. stung die Zwischenschaltung einer
Erregermaschine erfordern; und endlich nur für normale technische Frequenzen verwendbar
sind, gestattet die Anordnung gemäß der Erfindung, alle diese Nachteile zu vermeiden.
Insbesondere ist sie keinerlei Beschränkungen in bezug auf die Frequenz unterworfen.
Der Erfindungsgedanke ist sowohl auf Gl:eichstrom- als auf Wechselstromerzeuger
mit Einschluß der Stromrichter anwendbar und kann im allgemeinen in Verbindung mit
bekannten Regelgliedern und -geräten arbeiten.
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Gemäß der Erfindung ergibtsich die Regelung auf konstante Leistung
in elektrischen Speisestromkreisen aus der elektrischen Summenbildung von zusammengehörigen
Strom- und Spannungswerten der Konstantlevstungskurve (U J = N = konst.)
. Für die in Frage kommenden Regelbereiche .ergibt sich hierbei eine genügende Genauigkeit
gegenüber der an sich geforderten Multiplikation von Strom und Spannung. Durch die
Anwendung nicht linear arbeitender Regelglieder können alle Abweichungen der durch
die Sum@mation bedingten Regelung von dem durch Multiplikation erhaltenen Sollwert
ebenfalls ausgeglichen weiden. Im übrigen können durch die Wahl des Regelbereiches
auch ohne Anwendung nichtlinearer Regelglieder die Istwertabweichungen in praktisch
durchaus zulässigen Grenzen gehalten werden.
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EineKanstantleistungsiregelung bedeutet, däß. sich die Regelkurve
wegen U # J= Korst. = N gemäß einer Hyperbelfunktion verändern soll. Wendet man
den Erfindungsgedanken an, so, ergibt sich die Beziehung Kl#U+K2#J-U.J-N-Konst.
(z) in der I(1 und 1(2 nach zu bestimmende Pro,-partionalitätsfaktoren sind. Die
gewünschte S.ollkwrve wird also durch Tangenten angenähert; wobei jeder beliebige-
Berührungspunkt als Arbeitspunkt gewählt werden kann. Die Steigung jeder Tangente
kann aus der ,obengenannten Bedingung abgeleitet weiden und errechnet sich zu:
Die Gleichung der Tangente im Arbeitspunkt (Ui, J1) lautet dann:
Die beiden Glieder
und - entsprechen
den Fakt:oxen 1(i und I(2 in Gleichung (i) und geben die Übersetzungsverhältnisse
für die Strom- und Spannungskomponenten an. Für den Arbeitspunkt (Berührungspunkt)
ist die Abweichung vom Sollwert gleich Null; Abb. i der Zeichnung zeigt, wie sich
nach positiven und negativen Werten hin die Abweichungen der Ist- von der Sollkurve
auswirken. Man erkennt, daß sich bei einer Strom- oder Spamnungs,ändexung von io%
ein Unterschied der nachgeregelten Leistung von i % eingibt. (Regelbereich von A1
bis Ei, ArbeitspunktAl.) Verlegt ,man jedoch den Arbeitspunkt entsprechend der Abb.
i nach A2, so, erhält man gleichfalls die Möglichkeit der Spaunvungs- oder Stromänderung
von i o % bei einer Abweichung der Leistungskurve von insgesamt nur o,25% (Regelbereich
von A2 bis E2). Entsprechendes gilt für die Ausxegelung höherer Spännungs-oder Stromänderungen
(Regelbereich von A3 bis Es).
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Abb. 2 zeigt Regelkurven gleicher Leistung füir verschiedene prozentuale
Belastungen. Für eine Regelanordnung gemäß der Erfindung ist nun zu fordern, daß
für einen gewissen Bereich jede beliebige Leistung als konstant einzuhaltende Leistung
eingestellt und ferner jeder beliebige Punkt einer einmal eingestellten Leistungskennlinie
als Arbeitspunkt :gewählt werden kann, wodurch die zu,dem jeweiligen Arbeitspunkt
gehörige Steilheit -der Regelgeraden bestimmt ist.
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Die gemäß einer Weiterbildung der Erfindung :voTgesehenen Meßglieder
der Spannung und des Stromes; die entsprechend der konstanten Summenbeziehung gekoppelt
sind, können einem mechanischen -oder auch einem Röhrenregler,zugeordnet ,sein.
Im ersten Fall ergibt sich eine Beeinflussung des Reglers in Abhängigkeit vom Effektivwert,
im zweiten Fall eine solche in Abhängigkeit vom Scheitelwert.
Solche
gemäß de! Er`fihdung äufgebauten Regler werden' Anwendung finden in allen den Fällen,
in denen keine odar,nur geringe Phasenverschiebungen ,zwischen Strom und Spannung
vorhanden sind. Sind größere Phasenverschiebungen .zwischen Strom und Spannung zu
erwarten, so verwendet man zweckmäßig zusätzlich eine die Phasenverschiebung erfassende
Regeleinrichtung.
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In den Abb.3, 5 und 6 'sind Beispiele von Anordnungen gemäß- der "Erfindung
gegeben. .Gemäß Abb.3 gibt das Wechselstromnetz i, 'dessen Leistung konstant gehalten
werden. isol1, über den Spannungswandler 2 die Spannungskomponente 1(1 U an eiheil
Spannungsteiler 5 und über den nicht näher bezeichneten Stromwandler mit dem Transforinato,r
3 die Stromkomponente 1(2J an einem weiteren Spannungsteiler q.. Die Summmerung
der .Strom- und der Spannungskomponente erfolgt .über die beiden miteinander gekuppelten
Abgriffe q. i und 51. Die auf diesle Weise gewonnene Regelspannung 1(i
U -;-1(2 J
wird ,mit der-konstanten Gleichspannung einer Hilfis,entladungsstrecke
6 (Stabilisator) verglichen und dem Gitter 'einer Steuerröhre 7 zugeleitet. Nach
den! -oben Gesagten ist klar, daß für jeden Arbeitspunkt auf einer Lei-@stungskennlinie
die beiden Abgriffe 41 und 51, entsprechend -der zugehörigen Steilheit der Regelgeraden,
eine bestimmte Lage haben müssen. .In Abb. q. sind die zueinanderge-Mrigen. .Anteile
der Strom- und der Spannungskomponente in Prozenten der an jedem Spannungsteiler
¢ bzw. 5 liegenden Gesamt-Spannung in Abhängigkeit von darf Span. nungsi- und Leistungswerten,
die auch der Abb.2 zugrunde gelegt sind, dargestellt. Sio ist z. B. diesen Kurven.-
zu entnehmen, da.ß für Nennlast und Nennspannung 66% der Gesamtspannung am Spannungsteiler
q. und dazugehörig 67% am Sp,annungs;teüer 5 abzugreifen. sind. Durch die auch in
Abb.3 angedeutete Kupplung der Abgriffe q. i und 5 r ist für jede Stellung des einen
Abgriffs, immer die entsprechende Stellung des andenen Abgriffs zwangsläufig zugeordnet.
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Soll nun, ein beliebiger Leisungswert zur weiteren Konstanthaltung
eingestellt werden, s,o; ruß die Größe der Summe 1(I U -f -1(2
J
geregelt werden können. Es ist dabei jedoch zu beachten, daß die Steigung
der Regeltangente für gleiche Spannung auf jeder Leistungskennlinie (Abb.2) eine
andere ist-und gemäß der Beziehung tg
proportional mit der Leistung zunimmt. Dementsprechend ist der Einfiuß der
Spannungs-oder auch der der Stromkomponente proportional mit der einzustellenden
Leistung zu verändern, was für die Spannungskomponente in Abb. 4 durch die Kurven
U640"/" bis U51 120o/, dargestellt ist. Um diesen Anforderungen zu genügen, sind
gemäß Abb.5 der bisher bescbriebene;n Anordnung zwei weitere Spannungsteiler 8 und
9 zugefügt. Über den Abgriff 81 läßt sich der Einfluß der Spannungskomponente entsprechend
der über den Abgriff 9 i eingestellten Leistung verändern, -wobei wiederum beide
Abgriffe 8 i und 9i auf einer Achse sitzen. Die Einstellung der Regelanordnung erfolgt
nun in der Weise; daß mittels der Abgriffe 81 und 9 z die gewünschte Leistung und
danach mittels der Abgriffe q. i und 5 i der Arbeitspunkt auf der gewähltem. Leistungskennlinie,
d. h. die durch den Widerstand des Verbrauchers und die gewählte Leistung bedingte
Arbeitsspannung, eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit, -die konstant zu
haltende Leistung beliebig .einzustellen, wäre die, das' üb@ersetzungsverUältnis
der Wandler 2 bzw. 3 zu ,ändern. Am einfachsten geschieht dies dadurch, daß die
Größe des als Bürde -des Stromwandlers vorgesehenen Widerstandes io geändert wird.
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Für den gesamten Regelbereich sind nun. noch Spannungs- und Stromgrenzen
vorzusehen, damit der Stromkreis bei. kor stanter Leistung nicht auf zu hohe Spannung
und zu kleinen Strom oder auf zu großer. Strom und zu kleine Spannung geregelt werden
kann. Bei Überschreitung der gesetzten Grenzen ruß die Leistungsregelung selbsttätig
in eine Strom- bzw. Spannungsregelung Übergehen. Gemäß Abb. 6 werden daher parallel
zur leistungsabhängigen Steuerspannung zwei weitere - Steuerspannungen., über den
Umspanner i leine spannungsabhängige und über den Umepanner 12 eine dem Gitter der
Steuerröhre 7 zugeführt. Die einzelnen. Steuerspannungen werden gegenseitig durch
gleichrichtende Elemente 13, vorzugsweise Trockengleichrichter, abgesperrt. Von
diesen. drei Steuerspannungen wird immer diejenige die Steuerung übernehmen, die
den größten; Wert hat. Dies ist normalerweise die leistungsabhängige; erst beim
Erreichen der eingestellten Grenzwerte hat die spannungs- bzw. stromabhängige Steuerspannung
die gleiche Größe, und bei Überschreitung der eingestellten Werte führt sie dann
den Regler. In Abb.2 sind diese Grenzwerte ebenfalls eingezeichnet, so daß Abb.2
das gesamte Kenmlinienfeld der Regelanordnung angibt.
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Infolge Ungenauigkeit der Spannungsübertragung des Strom- bzw. des
Spannungswandlers kann im Bereich der Strom- oder Spannungsbegrenzung die als Tangente
ausgebildete Regelgerade bereits vorzeitig durch den Einfluß -der überspanmungs-
-oder Überstromregelung
von der Geradlinigkeit 12 abweichen und
einen Verlauf 1l annehmen, wie ihn Abb. 7 für den Fäll der überspannungsbegrenzung
zeigt. Um das zu vermeiden, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Phasenlage
der überspannungs-.,oder übers;tromkomponenten, die von dem Umspanner i ioder 12
(Abt. 6) ,geliefert werden; um iSo° gegenüber der am Widenstand.9 abgegriffenen
Spannung verschoben. Diese Verlagerung ist in dem Augenblick möglich, in dem dem
Steuerrohr 7 (Abt. 3, ¢ und 6) eine Gleichspannung als Anodenspannung zugeführt
wird. Das Rohr muß dann entweder ein Elektronenrohr .sein oder ein gasgefülltes
Rohr, bei dem mit Hilfe der Gittersteuerung die Entladung gelöscht werden kann.
Durch die Verlagerung der Überstrom- und überspannungskomponenten uni i 8o' (Umpolung
des Trausformators) wird der von der gewünschten Form abweichende Verlauf der Tangentetl
in den gewünschten Verlauf 12 übergeführt.
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Der volle Bereich und die trägheitsl Erfassung der Leistungsabweichungen
vom vorgegebenen Sollwert der Anordnung nach der Erfindung können am besten in den
bekannten Röhrenreglerschaltungen ausgenutzt werden. Der Erfindungsgedanke ist jedoch:
hierauf keineswegs beschränkt: Wenn die Erfindung auch lediglich in Anwendung auf
einen Wechselstromgenerator erläutert wurde, so. kann doch der Erfindungsgegenstand
ebenso bei Gleichstromgeneratoren angewendet werden. Man wird in diesem Fäll für
die Spannungskomponente eine Tachometermaschine anordnen und die Stromkomponente
dadurch gewinnen, daß man den Laststram oder einen Teil desselben durch die Erregerwicklung
einer kleinen Wechselstrommasehine fließen läßt. Man erhält in diesem Fall zwei
Spannungskomp-anenten, deren Summe die Komstantleistungsregelung herbeiführen können.
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Gemäß seiner Weiterbildung der Erfindung können die Abweichungen von
dem gewünschten Sollverlauf der konstanten Leistung durch die Eindügüng nichtlinearer
Widerstände in die Strom- oder Spannungsmeßstellen zum Teil oder vollständig aufgehoben
werden.. Kommt es nicht auf allzu -schnelle Ausregelung an, so kann man gesättigte
Drosselspulen -oder thermisch zu beeinflussende nichtlineare Widerstände (Eisenwasserstoffwiderstände,
Urdoxwiderstände o. dgl.) verwenden. Es besteht auch die Möglichkeit, einen: Transformator
mit von der Höhe der angelegten Spannung oder des hindurchgehenden Stromes abhängiger,
veränderlicher Streuung zu benutzen. Soll eine praktisch trägheitslo-se Regelung
durchgeführt werden, sa empfiehlt es sich, eine Elektronenröhre einzuschalten, wobei
z. B. die stromabhängigE Spannungskomponente in den Gitterkreis eingefügt wird,
so wie dies Abb.8a zeigt. Die Elektronenröhre, die auf einen verhältnismäßig ho.
Par: Widerstand, der gleichzeitig ah Potentiömeter q. (Abt. 3) dienen kann, arbeitet,
wird durch eine Gittervorspannungshatterie. mit regelbarer Größe so, betrieben,
daß die dem Transfiärmatar 3 der Abb. 3 entnommene Gitterwechselspannung durch die
Lage des Arbeitspunktes im gesättigten Teil der Kennlinie (vgl. Abb.8b) einen verzerrten
Anodenwechselstrom zur Folge hat. Durch die Einstellung des Arbeitspunktes der Gnttervorspannung,
gegebenenfalls durch entsprechende Kupplung mit der Einstellung der weiter -oben
genannten Potentiometer, kann trägheifislos eine vollständige oder nahezu vollständige
Konstanthaltung der Leistung und Gleichheit von Soll- und Istwert der zu regelnden
Maschine .erreicht werden.
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Es sei nach darauf hingewiesen, daß die Kopplung der einzelnen Potentometerabgriffe
auf die verschiedenste Art und Weise erfolgen kann. Die Potentiometer können z.
B. durch ein einfaches Getriebe verbunden sein; während die Widerstandswerte infolge
eines abgestuften Querschnittes entsprechend den gewünschten Regelkurven der Abb.
q: zunehmen. Andererseits kann man die Widerstandswerte der Potentiom@eter aneinander
gleich und linear anwachsend gestalten, dafür aber :mit Hilfe von entsprechend geformten
Kurvenscheiben und Seilzügen die gewünschte Abhängigkeit herbeiführen. Schließlich
kann noch durch Anordnung einer -exzentrischen Abgrifsbürste an einem an sich mit
gleichbleibendem Querschnitt gewickelten Potentforneter der gewünschte Spannungsverlauf
abgegriffen werden. Versuche haben gezeigt, daß die Anordnung in allen Frequenzbeineichen
einwandfrei arbeitet und sich in-sbesondere bei Hochfrequenzmaschinen außergewöhnlich
gut bewährt.
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Schließlich sei noch bemerkt, daß zur-Erhöhung der Empfindlichkeit
der Regesanoirdnung die Steuer- wie auch die konstante Vergleichsspannung gegebenenfalls
durch Einfügung .mehrerer Stabilisatoren vergrößert, z. B. verdoppelt, werden: können;
so daß dann bei gleichem Absodutweirt die prozentualeEmpfindlichkeit vermindert,
im Beiispiel auf die Hälfte verkleinert wird.