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Selbsttätiger elektrischer Regler, insbesondere Spannungsfeinregler
Bei Reglern, die dazu dienen sollen, innerhalb eines sehr geringen Bereiches eine
Größe konstant zu halten, beispielsweise bei Reglern zur Konstanthaltung der Spannung
von Generatoren, zeigt es sich, daß ihre jüstierung nicht unveränderlich auf dem.
eingestellten Betrag bleibt, d. h. daß der Mittelwert, auf dem der Regler die geregelte
Größe konstant zu halten bestrebt ist, Änderungen unterworfen ist. Diese Änderungen.
in der Justierung können von Temperaturschwankungen herrühren, können aber auch
durch andere Einflüsse, beispielsweise durch die Alterung irgendwelcher Reglerelemex%te,
bedingt sein. Wird z. B. ein Regler, der mit Elektronenröhren arbeitet, in kaltem-
Zustand in Betrieb genommen und seine Justierung so eingestellt, daß er bestrebt
ist, die geregelte Größe auf dem gewünschten Sollwert konstant zu halten, so wird
sich nach dem Einschalten infolge der allmählichen Erwärmung der Elektronenröhren
seine Charakteristik ,eitwas ändern, und der Mittelwert, auf deal @er die geregelte
Größe regelt, wird mehr und mehr von dein gewünschten Sollwert abweichen.. Diese
Abweichung läßt sich kompensieren, indem man das für den angestrebten Istwert der
geregelten Größe maßgebende Justierorgan des Reglers entsprechend nachstellt.
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Es ist bereits eine Regeleinrichtung bekanntgeworden, bei der diese
Verstellung des Justierorgans ei Abweichungen der Istgröße durch einen von einem
Normalgerät festgelegten Sollwert selbsttätig erfolgt, so daß auf diese Weise der
Einfluß von Schwankungen in der Charakteristik des Reglers ständig ausgeglichen
wird. - Bei der bekannten Einrichtung handelt es sich um die Frequenzregelung eines
Drehstromgenerators, bei der als Normalgerät für die Festlegung des Sollwertes der
Frequenz eine Normaluhr dient. Der Regler besteht in diesem Fall aus einem Schwingungskreis,
der mit einer der Generatorfrequenz proportionalen Frequenz gespeist wird und dabei
bei Abweichungen des Arbeitspunktes von einer bestimmten Lage auf seiner Resonanzkurve
die Drehzahl des Generators beeinflußt. Gleichzeitig wird nun der Istwert der Generatorfrequenz
mit dem Lauf der Normaluhr verglichen und bei Abweichungen dieses Istwertes von
dem durch den Lauf der Normaluhr festgelegten Sollwert der Kondensator des Schwingungskreises
entsprechend verstellt.
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Gemäß der Erfindung wird nun eine derartig selbsttätige elektrische
Regeleinrichtung, bei der Schwankungen in der Charakteristik durch Verstellen des
justierorgans bei Abweichungen der Istgröße von dem durch ein -Normalgerät festgelegten
Sollwert ausgeglichen werden, dadurch verbessert, daß eine Änderung der Einstellung
des Justierorgans durch die Istgröße über eine Kontrollvorrichtung,
die
weder von der Temperatur beeinflußt wird noch Alterungserscheinüngen zeigt, erst
dann erfolgt, wenn der Mittelwert der Istgröße, um den diese ständig pendelt, eine
gewisse Zeitlang von dem Sollwert abgewichen ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis
aus, daß nicht jede Abweichung des Istwertes der geregelten Größe von dem Sollwert
ein Zeichen dafür ist, daß sich die Charakteristik des Reglers verändert hat und
daß dementsprechend eine Nachstellung des Justierorgans vorgenommen werden muß.
Im allgemeinen geht nämlich der Regelvorgang, bei der Spannungsregelung beispielsweise
infolge der Wicklungsinduktivität der zu regelnden Maschine; mit einer gewissen
Trägheit vor sich, so daß auch dann, wenn der Regler völlig richtig justiert ist,
vorübergehend Abweichungen des Istwertes von dem Sollwert auftreten können. Aus
diesem Grunde wird gemäß der Erfindung eine Verstellung des Justierorgans erst dann
vorgenommen, wenn die Abweichung des Istwertes nach einer bestimmten Zeit, deren
Dauer sich nach der Trägheit der Regelanordnung richtet, noch nicht verschwunden
ist; denn erst dann deutet die Abweichung darauf hin, daß die Reglereinstellung
nachjustiert werden muß. Wesentlich für die Durchführung des Erfindungsgedankens
ist dabei, daß auch die Übertragungseinrichtung zwischen dem Normalgerät, das den
Istwert mit dem Sollwert vergleicht und dem Justierorgan des Reglers so ausgebildet
ist, daß Schwankungen ihrer Charakteristik keinen Einfuß auf die Einstellung des
Justierorgans haben können.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Regeleinrichtung
zur Konstanthaltung der Spannung eines Drehstromgenerators io dargestellt. Der auf
das Netz 12 arbeitende Drehstromgenerator io wird von der Erregermaschine rq. erregt,
die mit zwei Erregerwicklungen 15 und 16 ausgerüstet ist: Die eine der beiden
Erregerwicklungen 15 wird von der Erregermaschine 14 selbst gespeist, während die
andere, 16; über den Transformator 18 und die als Gleichrichter wirkenden Entladungsgefäße
2o und 2i, aus dem Netz 12 gespeist wird. Die Größe des die Erregerwicklung 16 durchfließenden
Stromes wird von dem Spannungsregler 22, der auf die Gitterpotentiale der Entladungsgefäße
2o und 21 einwirkt, bestimmt. Zwischen den eigentlichen Spannungsregler 22 und das
die zu regelnde Spannung führende Netz 12 ist das Justierorgan, in diesem Fall ein
kleiner Induktionsregler 24, geschaltet. Durch Einstellung dieses Induktionsreglers
läßt sich das Verhältnis der auf den Regler 22 wirkenden Spannung zu der Spannung
des Netzes verändern und damit der Wertt festlegen, auf dem der Regler 22 die geregelte
Größe, also die Netzspannung, konstant halten soll. Jeder Einstellung dieses Induktionsreglers
24 entspricht also, bei sonst unveränderten Verhältnissen, also auch bei konstanter
Charakteristik des Spannungsreglers 22, ein ganz bestimmter Wert der Netzspannung,
auf den der Spannungsregler die Netzspannung regelt. Die Größe der Abweichungen
von diesem Mittelwert hängt nur von der Empfindlichkeit des Spannungsreglers ab:
Wenn nun aber, beispielsweise infolge Temperaturerhöhung der in dem Spannungsregler
verwendeten Elektronenröhren, sich die Charakteristik des Reglers ändert, so wird
sich auch der Mittelwert ändern, auf dem der Regler die geregelte Spannung konstant
zu halten versucht. Durch eine entsprechende Verstellung des Induktionsreglers 24
läßt sich diese Verschiebung des von dem Regler angestrebten Mittelwertes wieder
ausgleichen und mit dem Sollwert wiederum in Übereinstimmung bringen. Die Verstellung
des Induktionsreglers soll nun bei eintretenden Abweichungen des Mittelwertes der
geregelten Spannung von dem gewünschten Sollwert selbsttätig erfolgen; so däß der
Regler die Spannung des Netzes 12 ständig innerhalb eines gewissen; durch seine
Empfindlichkeit bedingten Bereiches auf dem Sollwert hält: Diese selbsttätige Einstellung
wird indem Ausführungsbeispiel durch den Motor 28 bewirkt, der mit dem Induktionsregler
24 gekuppelt ist und bei Abweichungen des Mittelwertes der Netzspannung von einer
Kontrolleinrichtung 32 gesteuert wird. Es kommt nicht darauf an, daß der Induktionsregler
24 bei jeder kurzzeitigen Abweichung der Spannung verstellt wird, sondern eine Verstellung
muß dann erfolgen, wenn der Mittelwert, um den die geregelte Spannung innerhalb
eines gewissen Bereiches schwankt, von dein Sollwert abweicht. Deshalb erfolgt eine
Verstellung des Justierorgans erst dann, wenn eine Abweichung von einer gewissen
Größe nach einer bestimmten Zeit noch nicht verschwunden ist.
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Die Kontrolleinrichtung 32 besteht aus einer Brückenschaltung, in
der zwei gegen- 1 überliegende Zweige 63 und 64 durch temperatur= und spannungsunabhängige
Widerstände gebildet werden, während die beiden anderen Zweige 65 und 66 durch spaiinungsabhängige
Widerstände, beispielsweise Wolframlampen, gebildet werden. Mit zwei Eckpunkten
ist diese Brücke über einen Reglerwiderstand 33 unter Vermeidung eines Transformators
direkt an das die geregelte Spannung führende Netz i2 angeschlossen; ein dazwischengeschalteter
Transformator würde wiederum Temperaturabhängigkeit der
Kontrolleinrichtung
bedingen. Die Einstellung der Brücke erfolgt nun so, daß die Spannung zwischen den
beiden anderen Eckpunkten gleich Null ist, wenn die geregelte Spannung mit dem gewünschten
Sollwert übereinstimmt. Je nachdem ob die geregelte Spannung nach oben oder unten
von dein Sollwert abweicht, ist die Spannung in der an die Brücke angeschalteten
Transformatorwicklung 68 in Phase oder in Gegenphase mit der Netzspännung. Die bei
Abweichungen der geregelten Spannung von dem Sollwert in der Sekundärwicklung des
Transforinators 68 induzierte Spannung wird nun zur Steuerung von zwei Elektronenröhren
35, 36 benutzt, die ihrerseits ebenfalls in einer Brückenschaltung liegen, und zwar
derart, daß ihre Kathoden so miteinander verbunden sind, daß diese beiden Röhren
zwei aneinander grenzende Zweige einer Brücke bilden, deren andere Zweige aus den
Widerständen 70 und 71, denen noch die Kondensatoren 72 und 73 parallel geschaltet
sind, bestehen. Gespeist wird diese Brückenanordnung mit Wechselstrom über den Transformator
6a, und zwar dient der oberhalb der Anzapfung 75 liegende Teil der Sekundärwicklung
dieses Transformators zur Lieferung der Anodenspannung für die beiden Elektronenröhren,
während der unterhälb der Anzapfung 75. liegende Teil der Transformatorwicklung
den Gittern eine Vorspannung erteilt, die in Gegenphase mit der Anodenwechselspannung
liegt, also dann negativ wird, wenn die Anodenwechselspannung positiv wird. Die
Brückenanordnung 34 arbeitet also als Gleichrichter auf die Widerstände 7o und
71, wobei zur Glättung der an den Widerständen auftretenden Spannung diesen
die Kondensatoren 72 und. 73 parallel geschaltet sind.
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Sobald nun eine Abweichung der geregelten Spannung vom Sollwert auftritt,
sobald also der Transformator 68 in dem einen oder anderen Sinne von der Kontrolleinrichtung
32 erregt wird, verschieben sich die Gitterpotentiale der Elektronenröhren 35 und
36 so, daß die Leitfähigkeit der einen Röhre zunimmt, die der anderen dagegen abnimmt.
Es entsteht somit zwischen den an die Brückenanordnung 34 angeschlossenen Leitern
75 und 76 eine Gleichspannung in dem einen oder anderen Sinne; je nachdem ob die
geregelte Wechselspannung zu groß oder zu klein ist.
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Die so entstandene Gleichspannung wird nun dem Gitter einer Verstärkerröhre
38 zugeführt und regelt den durch die Röhre fließenden Anodenstrom und damit den
durch diesen hervorgerufenen Spannungsabfall an dem Widerstand 78. Der Spannungsabfall
in dem Widerstand 78 dient wiederum zur Steuerung einer weiteren Verstärkerröhre
40, deren Anodenstrom in dem Widerstand 81 einen Spannungsabfall hervorruft. Die
Anodenspannungen für die Verstärkerröhren 38 und 40 sowie- die entsprechenden Hilfselektrodenspannungen
werden von einem Spannungsteiler 84 abgegriffen, der seinerseits aus dem Wechselstromnetz
über einen Transformator 61 und einen Vollweggleichrichter 85 gespeist wird. Zur
Glättung der gleichgerichtgten Spannung dienen die Kondensatoren 86. Der an dem
Widerstand 8i auftretende Spannungsabfall wird jetzt dem Gitter 83 einer Entladungsröhre
42 besonderer Ausführung zugeführt, und zwar handelt es sich um eine besondere Ausführung
derart, daß, diese Röhre stromdurchlässig wird, wenn das Gitterpotential nach positiven
Werten hin verschoben wird, und daß sie den Stromdurchgang völlig sperrt, wenn das
Gitterpotential genügend weit in negativer Richtung verschoben wird. Wenn also die
geregelte Spannung über den Sollwert anwächst, so wird das Gitterpotential der Röhre
422 genügend negativ, um zu bewirken, daß die Röhre keinen Strom mehr hindurchläßt.
Infolgedessen bleibt auch das in den Anodenstromkreis der Röhre 42 geschaltete Relais
qa. in diesem Fall unerregt. Wenn jedoch die geregelte Spannung zu klein ist, so
verschiebt sich das Gitterpotential der Röhre 42, in positiver Richtung, diese wird
leitend, und das Relais q.¢ zieht an. Wenn die geregelte Spannung normal ist, so
wird das Relais 44 ständig ansprechen und wieder abfallen. Dieses ständige Arbeiten
des Relais rührt von kleinen Schwankungen der geregelten Spannung um einen Mittelwert
her, die bei allen geregelten Stromkreisen unvermeidlich sind; obwohl diese Schwankungen
außerordentlich klein sind und nur kurze Zeit/ andauern, so genügt doch der Verstärkungsgrad
der zwischen der Röhre 42 und dem Netz liegenden Einrichtung, um ein ständiges Zünden
und Erlöschen der Röhre 42 hervorzurufen.
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Wesentlich für die Wirkungsweise der gesamten Einrichtung ist es,
daß Alterungserscheinungen und Temperatureinflüsse auf das Arbeiten der Kontrolleinrichtung
keinen Einfluß haben. Diese Bedingung ist hier erfüllt. Sowohl die festen als auch
die spannungsabhängigen Widerstände der Brükkenanordnung 32 lassen sich so konstruieren,
daß 'ihr Temperaturkoeffizient gleich Null ist und daß Alterungserscheinungen an
ihnen nicht auftreten. Das gleiche gilt für -den Regelwiderstand 33. Unter allen
Umständen hängt also, wie oben auseinandergesetzt, die Richtung der Spannung in
der Primärwicklung des Transformators 68 davon ab, ob die geregelte Spannung den
Sollwert über- oder
unterschreitet. In der Brückenanordnung 34 gelangen
Elektronenröhren zur Verwendung, bei denen Alterungserscheinungen kaum vermeidbar
sind. Dadurch, daß die beiden Elektronenröhren 35 und 36, von denen man annehmen
kann, daß sie beide den gleichen Veränderungen unterworfen sind, symmetrisch in
die Brückenanordnung 34 eingeschaltet -sind, wird der Einfluß der Alterung auf die
Brükkenspannung kompensiert. Wenn sich die Charakteristiken der Verstärkerröhren
38 und 40 sowie der Röhre 42 verändern, so macht sich das lediglich in den Ansprechgrenzen
des Relais 44 und damit in der Größe der Empfin:dEchkeit der Kontrolleinrichtung
,bemerkbar.
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Durch diese verhältnismäßig schnellen Peildelungen des Relais 44 werden
fortgesetzt die Relais 46 und 48 zum Ansprechen gebracht, jedoch können diese nicht
den Motor 28 in Betrieb setzen, da dessen Hauptstromkreis noch durch den Kontakt
88 des Relais 50
unterbrochen ist: Dieses Relais 5o wird durch das Relais
52. gesteuert; welches nur dann anspricht, wenn eins der beiden Relais 46
und 48 längere Zeit in angezogener Stellung verharrt. Die Länge der Zeit, während
welcher eins der Relais 46 und 48 an ezogen bleiben muß, um das Relais 52 zu betätigen,
hängt von der Einstellung des Spannungsteilers go ab, der zusammen mit dem Kondensator
92 im Gitterkreis der Elektronenröhre 54 liegt. Der Anodenstromkreis dieser Röhre,
deren Anodenspannung von der Batterie 56 geliefert wird, wird über die Kontakte
93 bzw. 94 geschlossen, wenn das Relais 46 oder das Relais 48 anspricht. Ist der
Stromkreis auf diese Weise geschlossen, so. beginnt die Ladung des Kondensators
92" die, wenn sie lange genug andauert, auf einen Wert steigt, bei dem die Elektronenröhre
54 genügend Strom hindurchläßt, um dadurch das Relais 52 zum Ansprechen zu
bringen. Befinden sich dagegen beide Relais 46 und 48 gleichzeitig in angezogenem
Zustand; so bilden ihre Hilfskontakte 9-5 und 96 einen Kurzschlußkreis, über den
sich der Kondensator 92 rasch entlädt, so daß beim Abfallen des zweiten Relais bzw.
beim erneuten Ansprechen nur eines Relais die Ladung des Kondensators von neuem
beginnen muß. Die Relais 46 und 48 sind so eingerichtet, daß sie zwar schnell ansprechen,
jedoch mit einer gewissen Zeitverzögerung abfallen; dadurch wird erreicht; daß der
Kondensator 92 sofort entladen wird; wenn eins der beiden Relais sich in angezogenem
Zustand befindet und das Relais 44 während des Ladevorganges seine Stellung ändert.
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Die Einschaltung des Motors 28 in der einen oder anderen Drehrichtung
geht nun folgendermaßen vor sich: Angenommen, die Spannung des Netzes 12 bleibe
längere Zeit auf einem zu hohen Wert. Dann befindet sich das Relais 44 in abgefallener
Stellung und das Relais 48 dementsprechend in angezogener Stellung. Durch den Kontakt
94 stellt das Relais 48 den vorher erwähnten Ladestromkreis für den Kondensator
92 her, der nach einer gewissen Zeit, wenn er genügend geladen ist, ein derartiges
Anwachsen des Anodenstromes der Röhre 54 bewirkt, daß das Relais 52 anspricht und
damit über seine Kontakte 99 und den Kontakt 94 des Relais 48 das Relais 5o erregt.
Damit wird der Kontakt 88 geschlossen, so daß der Motor a8 in der durch das Relais
48 bedingten Drehrichtung zu laufen beginnt. Gleichzeitig öffnet aber der Kontakt
98, so daß der Erregerstrom des Relais 48 unterbrochen wird. Das Relais 48 fällt
jedoch: infolge der Zeitverzögerungseinrichtüng nicht sofort ab; sondern kehrt erst
nach einer gewissen Zeit, beispielsweise nach: einer halben bis einer Sekunde, in
seine Abfallstellung zurück. Solange das Relals 48 noch in seiner Anzügstellung
verharrt, läuft der Motor und verstellt das Justierorgan 24. Sobald jedoch das Relais
48 abgefallen ist, unterbricht es den Stromkreis des Relais 52; damit wird auch
das Relais 50 zum Abfall gebracht und der Motor wieder stillgesetzt. Ist
nunmehr die Spannung des Netzes r2 immer noch zu hoch, so spricht das Relais 48
sofort wieder an, und nach einer gewissen Zeit, deren Größe von der Einstellung
des Spannungsteiles go abhängt, wird der Motor wiederum für eine bestimmte Zeitdauer,
die von der Zeitverzögerung des Relais 48 abhängt, eingeschaltet. Wenn die geregelte
Spannung längere Zeit zu niedrig ist; so wird der Motor unter Vermittlung des Relais
46 in gleicher Weise periodisch in der anderen Drehrichtung eingeschaltet und wieder
stillgesetzt, bis der Mittelwert der geregelten Spannung wieder mit dem Sollwert
übereinstimmt.