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Einrichtung zur Regelung der Spannung elektrischer Maschinen mittels
gittergesteuerter Dampf- oder Gasentladungsstrecken Es sind bereits zahlreiche Einrichtungen
zur Regelung elektrischer Maschinen in. Abhängigkeit von der Spannung oder seiner
anderen Betriebsgröße .eines angeschlossenen Stromkreises mittels gittergesteuerter
Dampf-oder Gasentladungsstrecken bekanntgeworden. Bei solchen Einrichtungen wird
vielfacheine Brückenanordnung mit linearen Widerstandselementen und mit Glühlampen,
die eine nichtlineare Widerstandscharakteristik besitzen, zur Überwachung der konstant
zu haltenden Größe und zur Abgabe des Regelimpulses verwendet. Doch ist eine solche
Brückenanordnung für hochempfindliche und äußerst schnelle Regelungen nicht geeignet,
da sie in Abhängigkeit von der zu regelnden Größe ferst durch eine temperaturabhängige
und deshalb träge Widerstandsänderung aus dem Gleichgewicht gebracht wird.
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Zweck der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur'Regelung der Spannung
elektrischer Maschinen mittels gittergesteuerter Entladungsstrecken zu schaffen,
die eine hohe Empfindlichkeit schon für kleine Änderungen der Betriebsgröße, z.
B. der Spannung der zu überwachenden Maschine, aufweist und eine lange Lebensdauer
besitzt, ohne daß eine häufige Erneuerung der Einzelteile erforderlich ist. Gemäß
der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daßeine neue andersartige Brückenschaltung
unter Verwendung von nichtlinearen Widerstandselementen zur überwachung der zu regelnden
Größe verwendet wird. Zu diesem Zwecke enthält die Briikkenschaltung in zwei benachbarten
Zweigen je einen Ohm.schen Widerstand und eine gesättigte Drosselspule, in
den beiden anderen- Zweigen je einen Kondensator, so daß die Ohmschen Widerstände,
gesättigten Drosselspulen und Kondensatoren zwei ,an der zu regelnden S'p'annung
liegende, auf zwei verschiedene Spannungswerte abgestimmte Resonanzkreise bilden.
Ferner soll erfindungsgemäß die dem Diagonalzweig der Brücke entnommene resultierende
Spannung zur Steuerung zweier in einem Phasenschieberkreis
angeordneter,
gegensinnig parallel geschalteter Hilfsentladungsstrecken dienen. Und schließlich
soll der Phasenschieberkreis zur Steuerung der die eigentliche Regelung bewirkenden
Hauptentladungsstrecke dienen.
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In Abb. i der Zeichnung ist ein Ausfülirungsbeispiel der Erfindung
dargestellt, das sich auf eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Spannung eines
Generators mit der Ankerwicklung 2 und der Feldwicklung 3 bezieht. Die Ankerwicklung
2 speist ein Wechselstromnetz.l. Als Steuerkreis dient der nichtlineare Resonanzkreis
5 in Brückenschaltung mit zwei parallelen Zweigen. Der obere Zweig dieses Resonanzkreises
5 enthält einen Ohmschen Widerstand 6, eine gesättigte Drossel 7 und einen Kondensator
8, die in Reihe geschaltet sind, während der untere entsprechend geschaltete Zweig
den Ohmschen Widerstand 9, die gesättigte Drossel io und den Kondensator i i enthält.
Beide Parallelzweige sind an das Wechselstromnetz 4. angeschlossen.
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Um die Erregung der Feldwicklung 3 des Generators i in Abhängigkeit
von einer Betriebsgröße, z. B. der Spannung des Wechselstromnetzes .l, zu steuern,
wird die Ausgangsspannung des nichtlinearen Resonanzkreises 5 der Primärwicklung
13 eines Transformators 12 zugeführt. Der Transformator 12 enthält ferner
die Sekundärwicklungen i.1 und 15, deren Spannungen einen Phasenschieberkreis 16
steuern. Dieser enthält zwei gegensinnig parallel geschaltete Hochvakuumröhren 17
und 18 mit je einer Anode 19, einer Kathode 20 und einem Gitter 21, die als veränderliche
Ohmsche Widerstände dienen und in Reihe finit einem Kondensator 27 geschaltet sind
und von der Wicklung 25 eines Transformators 23 gespeist werden. Der Transformator
23 enthält außerdem die Primärwicklung 2.1 und die Sekundärtvicklungen 26 als Speisewicklungen
für die Glühkathoden. Gesteuert werden die Hilfsentladtmgsstrecken 17 und 18, wie
bereits angedeutet, durch den Transformator 12. Ferner sind in den Gitterkreisen
dieser Hilfsentladungsstrecken Strombegrenzungs-,viderstände 14' und 15' vorgesehen.
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Die Ausgangsspannung des Phasenschieb.erkreises ist hinsichtlich ihrer
Phase veränderlich und steuert dadurch die Entladungsstrecke 28, die vorzugsweise
:eine dampf- oder gasgefüllte Entladungsstrecke mit der Anode 29, der Kathode 3o
und dem Steuergitter 31 ist. Ein Widerstand 32 verbindet das Steuergitter 3 i mit
dem gemeinsamen Verbindungspunkt des Kondensators 2;, der Anode 19 der Entladungsstrecke
17 und der Kathode 2o der Entladungsstrecke 18. Ferner ist ein Widerstand 33 zwischen
das untere Ende des Widerstandes 32 und die Kathode 3o der Entladungsstrecke 28
geschaltet. Die Sekundärwicklung 25 des Transformators 23 liefert daher eine Wechselspannung,
die durch die Entladungsstrecke 28 gleichgerichtet wird und den Strom in der Feldwicklung
3 des Generators i steuert.
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Die Erregung des Generators i kann in bekannter Weise gesteuert werden,
z. B. durch eine Hilfsfeldivicklung. Man kann auch in den Stromkreis der Feldwicklung
3 eine weitere Spannungsquelle 3q schalten, wie es in der Abb. i angedeutet ist.
Um den resultierenden Strom, der in der Feldwicklung 3 fließt, einzustellen, ist
ein veränderlicher Widerstand 35 vorgesehen, der mit dem Entladungsgefäß 28 über
die Leiter 36 und 37 und mit dem rechten Ende der Transformatorwicklung 25 verbunden
ist. Der Widerstand 35 wird durch die Entladungsstrecke 28 in dem Sinne gespeist,
daß der Strom in der Feldwicklung 3 sich umgekehrt zum Ausgangsstrom der Entladungsstrecke
28 ändert.
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Abb.2 stellt den nichtlinearen Resonanzkreis 5 der Abb. i für sich
allein dar. Die entsprechenden Elemente sind mit gleichen Ziffern bezeichnet. Abb.
¢ ist eine vereinfachte Darstellung des Phasenschieberkreises 16. Darin ist der
veränderliche Widerstand 38 das Ersatzschaltbild für die Entladungsstrecken
17 und 18.
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Die allgemeine Arbeitsweise der in Abb. i dargestellten Ausführungsform
erkennt man am besten, wenn man die Arbeitsweise jeder einzelnen Anordnung gesondert
betrachtet. Durch geeignete Auswahl der Elemente in den beiden Parallelzweigen des
Resonanzkreises kann die Ausgangsspannung dieses Kreises die in Kurve A der Abb.
3 dargestellte Form annehmen. Diese Kurve stellt den Effektivwert der Ausgangsspannung
U,, als Funktion des Effektivwertes der Speisespannung Us dar. Weiterhin kann bei
geeigneter Auswahl der Widerstandselemente in den Parallelzweigen des Resonanzkreises
dieselbe Ausgangsspannung bei zunehmenden, oder abnehmenden Speisespannungen erhalten
werden. Der Abschnitt schneller Spannungsänderung, dargestellt durch den Teil
B C der Kurve A, wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß dieses Stück
im wesentlichen ebenso groß ist wie die konstant zu haltende Spannung des Generators
i. Um ein derart empfindliches Arbeiten der Anordnung zu erreichen, sind die parallel
geschalteten Zweige des Resonanzkreises 5 so gewählt, daß sie auf etwas voneinander
abweichende Spannungswerte abgestimmt sind. Beispielsweise kann die gesättigte Drossel
7 mit einer größeren Anzahl von Windungen versehen sein als die gesättigte Drossel
i o. Dann ist der obere Zweig des nichtlinearen Kreises 5 bei einem etwas geringeren
Spannungswert in
Resonanz .als der untereZweig. Infolgedessen wird
die Ausgangsspannung des Resonanzkreises 5 groß sein, solange nur einer der Kreise
in Resonanz ist. Sobald jedoch die Wechselspannung des Kreises q. auf einen solchen
Wert ansteigt, der der kritischen Resonanzspannung des anderen Kreises entspricht,
wird die Ausgangsspannung wesentlich verringert. Diese hohe Empfindlichkeit ist
für die sorgfältige und schnelle Steuerung des Phasensclueberkreises 16 von Bedeutung.
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Zur Erklärung der Arbeitsweise des Phasenschieb:erkreises 16 sei bemerkt,
daß die Entladungsstrecken 17 und 18 dieses Kreises im wesentlichen demselben Zwecke
dienen wie der veränderliche, Widerstand 38, der im Phasenschieberkreis 16 der Abb.
4. dargestellt ist. Die Entladungsstrecken 17 und 18 sind gegensinnig parallel geschaltet.
Die Sekundärwicklungen 14 und 15 des Transformators 12 sind so mit den Steuergittern
21 der Entladungsstrecken 17 und 18 verbunden, daß die den Gittern dieser Entladungsstrecken
zugeführten Spannungen gegenüber den Spannungen an den Anoden i 9 im wesentlichen
um i8o° phasenverscloben sind.
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Da die Entladungsstrecken Hochvakuumröhren sind, kann der mittlere
Strom, der durch diese Röhren fließt, durch die Größe der dem Steuergitter 2.1 zugeführten
Spannung geregelt -werden. Wenn .die Spannungen der Steuergitter weniger negativ
werden, wächst der Strom, der durch diese Röhren fließt, d. h. der Widerstand der
Röhren nimmt ab. Die Spannungen der Sekundärwicklungen 14 und 15 des Transformators
12 sind so gewählt, daß, wenn die Ausgangsspannungen der nichtlinearen Brücke 5
eine bestimmte kritische' Spannung des Wechselstromkreises q. übersteigen, die den
Steuergittern zugeführten Spannungen genügend hohe negative Werte :annehmen, um
die Entladungsstrecken 17 und 18 vollkommen zu sperren. Wenn der Widerstand der
Entladungsstrecken 17 und 18 sehr groß wird, liegt die dem Steuergitter 31 der Entladungsstrecke
28 zugeführte Spannung nahezu in Phase mit der Spannung an der Anode 29.
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In Abb. 5 stellt der Vektor DE die Spannung zwischen den Enden der
Transformatorwicklung 25 dar, entsprechend der Vektor 1)O die Spannung des linken
Teiles der Sekundärwicklung 25, der Vektor 0F' die Spannung des rechten Teiles der
Sekundärwicklung 25 und damit zugleich die Anodenspannung des Entladungsgefäßes
28. Wenn der Widerstand der Entladungsstrecken 17 und 18 relativ hoch ist, wird
die dem Steuergitter 31 der Entladungsstrecke 28 zugeführte Spannung beispielsweise
durch den Vektor OF dargestellt, und wenn der effektive Widerstand dieser Entladungsstrecken
gering ist, entsprechend durch den Vektor OG. Steigt der effektive Widerstand dieser
Entladungsstrecken an, so eilt die Spannung des Steuergitters 31 der Anodenspannung
des Entladungsgefäßes 28 nach, so daß die Leitfähigkeit der Entladungsstrecke 28
abnimmt.
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In dampf- oder gasgefüllten Entladungsstrecken dienen die Steuergitter
dazu, den Mittelwert des Stromes, der durch diese Entladungsstrecken fließt, zu
steuern und die elektrische Entladung in ,einem bestimmten Augenblick während der
positiven Halbwelle der Anodenspannung einzuleiten. Solche Kurven von dampf- oder
gasgefüllten Entladungsstrecken sind in Abb.6 dargestellt. Die Kurve H gibt die
Spannung zwischen der Anode 29 und der Kathode 3o der Entladungsstrecke 2.8 wieder
und die gestrichelte Kurve J die Zündkennlinie dieser Entladungsstrecke, d. h. die
Spannung, die dem Steuergitter 31 zugeführt werden muß, um die Entladungsstrecke
leitend zu machen. Die Kurve l( stellt die dem Steuergitter 31 tatsächlich zugeführte
Spannung dar. Die Entladungsstrecke 28 wird also in dem-Augenblick leitend, in dem
die Spannungskurve I( des Steuergitters ,die Zündkennlinie schneidet. Die Entladungsstrecke
28 wird einen Strom durchlassen, der dem gestrichelten Teil der Kurve I in Abb.
6 entspricht. Wenn die Phase der Steuerspannung gegenüber der Anodenspannung im
voreilenden Sinn verschoben- ist, wird die Entladungsstrecke einen größeren Strom
hindurchlassen, wie es die gestrichelte Fläche der Kurve II der Abb. 6 zeigt. Wenn
die Phasen der Anodenspannung und der Gitterspannung im wesentlichen zusammenfallen,
wie es in den Kurven III der Abb.6 dargestellt ist, wird die Entladungsstrecke während
der ganzen. positiven Halbwelle Strom führen, so daß der Mittelwert des Stromes
:einen Höchstwert erreicht. Wenn die Gitterspannung und die Anodenspannung dagegen
in Phasenopposition stehen, wird der Mittelwert des Stromes der Entladungsstrecke
28 im wesentlichen Null sein.
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Die. Arbeitsweise der Spannungsregeleinrichtung nach der Abb. i ist
folgende: Die kritische Spannung der nichtlinearen Brücke ist so gewählt, daß sie
im wesentlichen gleich dem Sollwert der Klemmenspannung des Generators i ist. Infolgedessen
wird die Ausgangsspannung des Resonanzkreises etwa gleich dem Teil BC der Kurve
A in Abb. 3 sein. Die gesamte Änderung der Klemmenspannung, die nötig ist,
um .eine große Änderung der Ausgangsspannung des nichtlinearen Kreises zu erzielen,
ist sehr gering, so daß die Spannungsregeleinrichtung besonders für solche Anordnungen
geeignet ist,
in denen eine genaue Spannungsregelung erforderlich
ist. Der veränderliche Widerstand 35, der mit dem Feldkreis des Generators
i verbunden ist, ist so eingestellt, daß bei Volllast des Generators und bei abgeschalteter
Regeleinrichtung die Klemmenspannung einige Volt über dem Sollwert liegt. Wächst
nun die Spannung des Wechselstromkreises q. ein wenig über den durch den nichtlinearen
Resonanzkreis 5 bestimmten Wert, so wird die Ausgangsspannung dieses Resonanzkreises
in negativer Richtung über den Teil BC der Kurve A hinauswachsen, so daß die Entladungsstrecken
17 und i8 einen geringeren Strom führen und dabei die Phase der Gitterspannung der
Entladungsstrecke 28 im voreilenden Sinne verschoben wird. Diese Phasenverschiebung
der Gitterspannung bewirkt ein Anwachsen des Mittelwertes des Stromes der Entladungsstrecke
28. Ein Anwachsen des Stromes in dieser Entladungsstrecke wird eine Abnahme des
Speisestromes der Feldivicklung 3 des Stromerzeugers i zur Folge haben, da der Spannungsabfall
im Widerstand 3 5 ansteigt. Infolgedessen wird die Erregung der Maschine abnehmen,
um die Klemmenspannung auf dem vorgesehenen Wert konstant zu halten. Wenn andererseits
die Spannung des Wechselstromkreises 4. bis auf einen Wert herabsinkt, der etwas
unterhalb des Kurventeiles BC der Kurve A
(Abb. 3) liegt, wird die den Steuergittern
21 der Entladungsstrecken 17 und 18 zugeführte Spannung weniger negativ und bewirkt
so ein Ansteigen des durch die Entla.dungsstrekken fließenden Stromes. Das Ansteigen
dieses Stromes, d. h. die Abnahme des effektiven Widerstandes der Entladungsstrecken
17 und 18 im Phasenkreis 16 hat eine Phasenverschiebung der dem Steuergitt--r 31
der Entladungsstrecke 28 zugeführten Spannung im nacheilenden Sinne zu Folge und
bewirkt ein Anwachsen des Stromes in der Feldwicklung 3 infolge des Sinkens der
Spannung am Widerstand 35. Dieses Ansteigen der Erregung des Generators i hält die
Klemmenspannung im wesentlichen konstant.
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In Abb. 7 stellt die Kurve L die.Klemmenspannung des Generators i
unter veränderten Lastbedingungen ohne Benutzung der Regeleinrichtung nach Abb.
i dar. Die Kurve hl stellt die Klemmenspannung derselben Maschine bei Benutzung
des Reglers nach der Erfindung dar. Kurve N gibt den Stromfluß in der Feldwicklung
3 bei angeschlossener Regeleinrichtung wieder, und Kurve P zeigt den Mittelwert
des durch die Entladungsstrecke 28 fließenden Stromes. Es sei bemerkt, daß infolge
der hochempfindlichen Spannungscharakteristik des nichtlinearen Resonanzkreises
5 der oben beschriebene Spannungsregler sehr genau auf kleine Spannungsänderungen
der Ausgangsspannung des Wechselstromkreises .1 oder der Ausgangsspannung des Generators
i anspricht. Da ferner die Entladungsstrecken 17 und 18 im Phasenschieb:erkreise
16 als veränderliche Widerstände dienen und die Größe dieses Widerstandes in weiten
Grenzen geändert werden kann, ist die Genauigkeit und Güte der Regeleinrichtung
besonders geeignet für Anlagen, in denen ein schnelles und genaues Arbeiten erforderlich
ist.