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Einrichtung zur Erzielung einer konstanten Verbraucher-Wechselspannung
bei schwankender Netzspannung und sich ändernder Belastung In der Elektrotechnik
ist es oft notwendig, daß Schwankungen der Netzspannung auf die angeschlossenen
Verbraucher nicht übertragen werden dürfen. In dieser Beziehung besonders empfindliche
Verbraucher sind z. B. die Heizstromkreise von Elektronenröhren, Pufferbatterien
und elektrische Meßschaltungen. Es sind deshalb schon Anordnungen zum selbsttätigen
Ausgleich von Netzspannungsschwankungen entwickelt worden. Bei einer bekannten Schaltungsanordnung
zur Konstanthaltung einer Wechselspannung an einem Verbraucher erfolgt die Konstanthaltung
der Wechselspannung an der-Sekundärseite eines Transformators in der Weise, daß
eine nicht gesättigte Drosselspule in den primären Stromkreis eingeschaltet und
ein Kondensator, dessen Kapazität annähernd mit der Induktivität der Drosselspule
auf Resonanz abgestimint-ist,parallel zur sekundären Tranuforinatorwicklung geschaltet
wird, wobei das eine 1?nde dieser Wicklung mit dem Verbraucher-Stromkreis verbunden
wird, während das andere Ende des Verbraucherstromkreises an den Verbindungspunkt
zwischen der primären Transformatorwicklung und der Drosselspule angeschlossen wird
und eine Anzapfung der sekundären Transformatorwicklung mit einer Anzapfung der
Drosselspule verbunden ist.
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Es .ist auch eine Abwandlung dieser Schaltungsanordnung bekanntgeworden,
bei der die vorgeschaltete Drosselspule zwei getrennt auf dem Eisenkern aufgebrachte
Wicklungen besitzt und statt des Transformators eine als Spartransformator geschaltete
Ouerdrosselspule Verwendung findet. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist die gleiche
wie die einer Anordnung nach der zuerst erwähnten Schaltung.
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Diese bekannten selbsttätigen Spannungsregler haben folgende technische
Mängel: Das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist an
einem Gerät praktisch nicht veränderlich, da eine
Änderung sich
auf sämtliche Wicklungen erstrecken müßte und umständliche Abgleichungen bei jeder
Umschaltung erforderlich «-ären. Die bekannten Geräte können infolgedessen nur zum
Anschluß an eine bestimmte Netzspannung bei einem festen LTbersetzungsverhältnis
zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ausgeführt werden.
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Ein weiterer Nachteil, wenigstens für besondere Fälle, ist es, daß
bei den bekannten Regelgeräten eine unmittelbare galvanische Verbindung zwischen
Eingang und Ausgang des Gerätes besteht.
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Ein anderer Nachteil der bekannten Schaltung ist die Abhängigkeit
der Regelgenauigkeit von der Art der Belastung. Wird die Anordnung nämlich auf einen
bestimmten Wert der zu regelnden Spannung bei Widerstandsbelastung abgeglichen,
so verschiebt sich die geregelte Verbraucherspannung bei induktiver Belastung gegenüber
dein Leerlaufwerte nach unten und bei kapazitiver Belastung nach oben. Der gewünschte
Spannungswert kann zwar durch erneuten Abgleich des Gerätes wieder hergestellt werden.
Dies ist aber nur bei gleichbleibender Belastungsart möglich. Ändert sich die Belastungsart
wiederholt, so ist ein solcher Abgleich praktisch nicht mehr durchführbar.
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Durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzielung einer konstanten
Verbraucher-Wechselspannung, die an Hand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben
werden soll, werden diese Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden.
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Die erfindungsgemäße Spannungsregeleinrichtung arbeitet nach dein
Prinzip einer Brückenschaltung.
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Es ist nun zwar schon eine Brückenschaltung zur Konstanthaltung der
Spannung eines Wechselstromnetzes bekanntgeworden, bei der eine Regeleinrichtung
mit Hilfe eines Zweiphasenmotors rnit Kurzschlußläufer gesteuert wird. Die eine
Ständerwicklung des Motors liegt bei dieser Anordnung unmittelbar an der zu regelnden
Netzspannung, die zweite im Mittelzweig einer Brückenschaltung, die ihrerseits ebenfalls
an der Netzspannung liegt. Einer der Brückenzweige dieser Schaltung wird von einem
Schwingungskreis gebildet, dessen Induktivität durch einen an der zu regelnden Spannung
liegenden Gleichrichter mehr oder weniger gesättigt wird. Durch diese Anordnung
`wird bei Netzspannungsschwankungen eine Phasenverschiebung zwischen den beiden
Ständerwicklungen erreicht und dadurch ein Drehmoment auf den Rotor des Regelmotors
übertragen, der seinerseits die Regeleinrichtung in dem Sinne steuert, claß den
Netzspannungsschwankungen entgegengearbeitet wird und diese dadurch ausl#
Z, Zn , "e glichen werden. Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Anordnung
den Vorteil, daß die Spannungsregelung nicht auf mechanische Weise, sondern durch
Gleichstrotnvormagnetisierung von Drosselspulen, also praktisch trägheitslos, erfolgt.
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Die Schaltung und Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Spannungsreglers
ist folgende: An die Eingangsklemmen a und b der Anordnung wird die Netzspannung
von z. B. azo Volt angeschlossen. Der Leitungszweig cr führt dann zu einer nicht
gesättigten Eisendrosselspule mit Luftspalt Dr" deren andere W icklungsen cie mit
dem Brückenpunkt c verbunden ist. Die Eingangsklemme b ist unmittelbar rnit dem
Brückenpunkt d verbunden.
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In den Brückenzweigen liegen die Drosselspule Dr., mit dem parallel
geschalteten Kondensator h, der Ohnlsche Widerstand ff' und je eine Wicklungshälfte
prl und pr.= der Primärwicklung des Transformators T. Im Mittelzweig der Brückenschaltung
zwischen den Brückenpunkten g und h liegt der Gleichrichter GL mit den Gleichstromwicklungen,
die auf die Drosselspule :.,. bzw. die Primärwicklung des Transformators aufgewickelt
sind.
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Der Verbraucher wird mit Hilfe der AnschluBklemrnen e und f an die
Sekundärwick-lung se des Transformators T angeschlossen. Einer der Vorteile
der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es, daß die Spannung dieser Sekundärwicklung
beliebig übersetzt sein kann und auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen mit verschiedenen
Spannungen auf den' "Transformator T aufgewickelt «erden können.
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Soll mit der erfindungsgemällen Einrichtung nun aus der schwankenden
Netzspannung von beispielsweise 2o Volt eine konstante Verbraucherspannung gewonnen
werden, so werden die Drosselspule Dr. und der Kondensator 1i so bemessen,
daß bei einer untersten Netzspannung von etwa i8o Volt und voller Belastung in diesem
Brückenzweig Strom und Spannung in Phase sind, der Scheinwiderstand dieses Kreises
also hoch ist.
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Der Ohrnsche Widerstand fI' im anderen Brückenzweig ist dabei so abgeglichen,
daß auch in diesem der gleiche Strom fließt. Auch in den Transformatorwicklungen
prl und prz fließen unter sich gleiche Ströme. Da in diesem Falle zwischen den Brückenpunkten
g und h keine Potentialdifferenz besteht, bleibt der Mittelzweig der Brückenschaltung
strontlos. Die Spannung an der Sekundärwicklung betrage bei der niedrigsten Netzspannung
220 Volt und soll auch bei steigender Netzspannung und einer zwischen Leerlaut und
Vollast schwankenden Belastung möglichst konstant bleiben. Wird nun der Ruhezustand
der Regeleinrichtung, der wie oben schon angegeben
bei der niedrigsten
Netzspannung von i8o Volt und voller Belastung vorhanden ist, dadurch gestört, daß
die Belastung abgeschaltet, also der Leerlauffall hergestellt wird, so wird die
Spannung an den Brückenpunkten c und d zunächst steigen, weil jetzt der durch die
Drosselspule Drl und in Reihe mit dieser durch die Primärwicklung des Transformators
fließende Nutzstrom kleiner geworden ist. Durch die Spannungsänderung an den Brückenpunkten
c und d werden die Drosselspule DY2 und der Kondensator I( aus ihrer bisher
innegehaltenen Resonanzlage gebracht, wodurch der Abgleich der Brückenschaltung
gestört wird. Es fließt jetzt ein Wechselstrom über den Mittelzweig der Brücke,
der in dem Gleichrichter GL gleichgerichtet wird und als Gleichstrom sowohl die
Drosselspule Dy, als auch den Transformator T vormagnetisiert. Durch die Vormagnetisierung
der Drosselspule wird der aus Drosselspule Dr, und Kondensator K gebildete Schwingungskreis
noch mehr gestört und der Vormagnetisierungsstrom dadurch noch zweiter vergrößert.
Der Regelvorgang kommt zur Ruhe, sobald die Spannung an der Primärwicklung des Transformators
T einen solchen Wert erreicht hat, der der konstant zu haltenden Spannung von 22o
Volt auf der Sekundärseite entspricht. In diesem Augenblick ist der Gleichgewichtszustand.
wiederhergestellt. - Sobald sich die Spannung an den Brückenpunkten c-d ändert,
setzt der Regelvorgang ein, und zwar so kräftig, daß die Normalspannung innerhalb
der kurzen Zeit von etwa 40 m% sec wieder terreirht ist, Die Spannung .an der Drosselspule
Dri ,
ändert sich bei der Regelung der durch Delastungsschwankungen hervorgerufenen
Spannungsänderungen nicht, weil der wegfallende Nutzstrom durch den zusätzlichen
Blindstrom des Transformators T ersetzt wird, so daß der Gesamtstrom konstant bleibt.
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In gleicher Weise setzt die Spannungsregelung ein, sobald die Netzspannung
über iSo Volt ansteigt. Auch in diesem Falle ändert sich der Spannungsanteil an
den beiden Brückenpunkten c und d. Der Regelvorgang setzt ein und verändert den
Scheinwiderstand der Primärwicklung des Transformators T in der Weise, daß die Spannung
am Verbraucher konstant gehalten wird. Der erhöhte Netzspannungsanteil wird in diesem
Falle von der vorgeschalteten Drosselspule Dr, 1 aufgenommen.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist
es, daß die Regelgenauigkeit durch die Art der Belastung in keiner Weise verändert
wird. Die Spannungsschwankung am Verbraucher beträgt bei konstanter Belastung und
einer von i 8o bis 250 Volt sich ändernden Netzspannung nur etwa -I- 0,7 °/o. Diese
Werte gelten für Ohmsche Belastung. Bei induktiver oder kapazitiver Belastung wird
die Regelgenauigkeit von etwa -I- 0,7 °/o nicht geändert, es wird nur der primäre
Spannungsbereich nach unten bzw. nach oben etwas begrenzt, was aber praktisch ohne
Bedeutung ist, da der Spannungsbereich auch in diesen Fällen noch immer innerhalb
der üblichen Netzspannungsschwankungen liegt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist, daß
durch sie praktisch keine Verzerrung des Wechselstromes hervorgerufen wird, im Gegensatz
zu den bekannten Anordnungen, bei denen besondere Zusatzdrosselspulen eingeschaltet
werden müssen, wenn ein sinusförmiger Strom verlangt wird. Außerdem ist der reine
Materialaufwand bei der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung geringer als bei den
bekannten Anordnungen. Der Grund hierfür ist in der Art der Schaltung zu suchen,
die nach dem äußerst empfindlichen Prinzip der Brückenschaltungen und mit gleichstromvormagnetisierten
Induktivitäten arbeitet, wodurch sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand große
Wirkungen erzielen lassen, obwohl der schaltungsmäßige Aufwand scheinbar größer
ist.