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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung der Spannung eines Wechselstromgenerators
Zur Schnellregelung von Wechselstromgeneratoren ist bereits vorgeschlagen worden,
die Erregerwicklung des Generators über Stromrichter zunächst an eine hohe Gleichspannung
zu legen, die ein starkes Ansteigen des Erregerstromes und damit der Generatorspannung
zur Folge hat und bei Überschreiten des Sollwertes der Generatorspannung die Erregerwicklung
entweder unmittelbar oder über einen Widerstand kurzzuschließen, um dadurch wieder
ein Absinken der Generatorspannung zu erreichen. Mit den bereits bekannten Anordnungen
läßt sich dieses tirrilartige Arbeiten dann ohne weiteres durchführen, wenn die
Erregerwicklung eine große Zeitkonstante aufweist oder wenn es auf kleinere Spannungsschwankungen
in der Generatorausgangsspannung nicht so sehr ankommt. Durch die Verwendung von
Stromrichtern ist man jedoch grundsätzlich in der Lage, weitaus größere Genauigkeitsforderungen
zu erfüllen, d. h. die volle Erregung nur ganz kurzzeitig zuzuschalten, um dann
bei der kleinsten Überschreitung der Sollspannung die Erregerwicklung wieder kurzzuschließen.
Dies läuft darauf hinaus, daß der bei den heutigen mechanischen - Tirrilreglern
auftretende Regeltakt von rund fünf Regeleingriffen in der Sekunde verzehn- bzw.
sogar verhundertfacht werden kann und daß man bei sonst gleichen Verhältnissen einen
entsprechend rascheren Anstieg bzw. Abfall des Erregerstromes erzielen kann. Dies
hat wieder zur Folge, daß man unter Umständen auf eine besondere Schnellerregung
bzw. Schnellentregung ganz verzichten kann, da bereits
die normale
Regelung eine derartig rasche Regelung herbeiführen kann.
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Damit die Regelung mit Hilfe der Stromrichter keine starken Schwankungen
des Erregerstromes und damit der Generatorklemmenspannung zur Folge hat, muß die
vom Stromrichter der Erregerwicklung jeweils zugeführte Energie sehr genau bemessen
werden, d. h. man muß die einzelnen Stromrichter mit einer solchen Steuerungsanordnung
steuern, die bei den kleinsten. Abweichungen der Netzspannung vom Sollwert praktisch
trägheitslos anspricht. Denn, würde auch nur die Zeit von einer halben Wechselstromperiode
vergehen, so würde bei der relativ hohen Änderungsgeschwindigkeit des Erregerstromes
bereits eine viel zu hohe Abweichung der Generatorspannung von ihrem Sollwert eingetreten
sein.
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Die Steuerungsanordnung, die die Gitter der Hauptstromrichter steuert,
muß somit zunächst ein Spannungsmeßglied enthalten, das in der Lage ist, jederzeit
festzustellen, ob die Generatorspannung den -richtigen Wert hat. Hierbei ergeben
sich folgende Schwierigkeiten: Die Generatorspannung wird im allgemeinen getrennt
in mehreren Phasen des Drehstromnetzes gebildet. Würde man nun im Steuergerät entsprechende
Normalphasenspannungen herstellen und diese mit den vom Generator abgegebenen Phasenspannungen
vergleichen, so würde das Meßgerät sofort ansprechen, wenn die Generatorspannungen
auch nur wenig von der vorgegebenen Sinusform abweichen. Ganz abgesehen davon, daß
es unter Umständen gar nicht immer erwünscht ist, daß der Generator bei jeder Art
der Be@ lasteng, z. B. bei einer Stromrichterbelastung, eine rein sinusförmige Spannung
liefert, müßte außerdem die vorgegebene Meßspannung mit der vom Generator gelieferten
Spannung immer genauestens in der Phasenlage übereinstimmen. Dies würde sich jedoch
nur mit einem unverhältnismäßig großen Aufwand an Schaltelementen erreichen lassen.
Da dieser *Weg von vornherein ausscheidet, wurde bereits vorgeschlagen, die vom
Generator gelieferten Phasenspannungen in einem Mehrphasengleichrichter gleichzurichten
und mit einer konstanten vorgegebenen Gleichspannung zu vergleichen. Bei dieser
Einrichtung weist jedoch die gleichgerichtete Spannung die vom Mehrphasengleichrichter
herrührende Welligkeit auf. Macht man nun die Vergleichsgleichspannung so groß wie
die Scheitelwerte dieser gleichgerichteten Phasenspannungen, so kann man nur noch
während einer der Phasenzahl des Gleichrichters entsprechenden Anzahl je Periode
vergleichen, ob die Gleichrichterspannung über oder unter dem Sollwert liegt.
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Stellt also das Meßgerät zu Beginn einer Periode fest, daß die Generatorspannung
zu klein ist, so wird die Stoßerregung eingeschaltet und bleibt nun z. B. bei einem
sechsphasigen ,ketrieb während 6o' eingeschaltet. In dieser Zeit kann sich der Erregerstrom
und damit däs Generatorfeld bereits zu unzulässig hohen Werten aufgeschaukelt haben.
Da somit hierbei die Bemessung der Erregerspannung nur von 6o' zu 6o' möglich ist,
läßt sich auch mit einer derartigen Anordnung keine feinstufige Regelung durchführen.
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Am günstigsten ist es, wenn es gelingt, in jedem Augenblick die Summe
der Quadrate der Augenblickswerte der drei Phasenspannungen zu bilden. Damit würde
man eine Anzeige für die Schwankungen bzw. Abweichungen vom Spannungsnormalwert
des Generators erhalten. Mit dieser Anzeige allein und einer entsprechenden Regelung
von Hand oder automatisch kann ein zufriedenstellender Generatorbetrieb nicht durchgeführt
werden. Es muß vielmehr das Meßglied, das die Größe der vom Generator erzeugten
Wechselspannung anzuzeigen bzw. zu überwachen gestattet, in der Lage sein, unter
Zuhilfenahme einer Steueranordnung den Gittern der die Erregerwicklung des Generators
speisenden Dampf- oder Gasentladungsstrecken zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine
zur Zündung oder Sperrung ausreichende Steuerspannung zuzuführen. Gleichzeitig muß
aber auch dafür Sorge getragen werden, daß gleichzeitig mit der entsprechenden Gittersteuerspannung
die Erregerentladungsstrecken mit Dampf- oder Gasfüllung tatsächlich auch löschfähig
sind. Sie erhalten zu diesem Zwecke eine Zwangskommutierungseinrichtung.
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Gemäß der Erfindung werden die Gitter der Erregerentladungsstrecken
von den belastungsabhängigen Veränderungen des Lichtstromes von n an die n-Phasen
des Generators angeschlossenen Glühlampen über ein photoelektrisches, gleichstromverstärkerartiges
Steuerglied gesteuert. Zum besseren Verständnis der Erfindung sei zunächst darauf
hingewiesen, daß die Summe der beispielsweise von den drei an einem Drehstromgenerator
angeschlossenen Glühlampen ausgestrahlten Lichtströme mit großer Annäherung bei
gleichbleibender Spannung konstant ist. Jede Spannungsänderung jedoch macht sich
zufolge der quadratischen Abhängigkeit des Lichtstromes von der Spannung stark bemerkbar.
Es ergibt sich demzufolge ein auf kleinste Abweichungen ansprechendes Meßglied für
die Spannungsschwankungen des Generators. Dieses Meßglied gestattet es, in geeigneter
Weise unmittelbar auf die Erregung des Generators einzuwirken.
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Die Anordnung nach der Erfindung soll im übrigen an Hand der Abbildung
näher erläutert werden. In dieser stellt x einen dreiphasigen Generator dar, der
das Drehstromnetz 2 speist,
dessen Spannung geregelt werden soll.
Die Erregerwicklung 3 des Generators kann über die Dampf- oder Gasentladungsstrecke
4 an die Gleichspannung 5 gelegt werden. Dadurch ist ein rasches Ansteigen des Erregerstromes
die Folge. Ist nun die Entladungsstrecke 4 gelöscht bzw. brennt sie nicht, so schließt
sich der infolge der Induktivität der Erregerwicklungin ihr in gleicher Richtung
weiterfließende Erregerstrom über die in bekannter Weise vorgesehene ungesteuerte
Freilaufentiadungsstrecke 6, mit der noch in Reihe ein Entregungswiderstand 7 liegen
kann. Die Steuerung der Entladungsstrecke 4 erfolgt über die Entladungsstrecken
8, g und io (Entladungsstrecken mit im wesentlichen reiner Elektronenentladüng).
Diese werden von der Photozelle il gesteuert, indem die veränderlichen Lichtströme
der drei Glühlampen 12 den inneren Widerstand der Photozelle entsprechend den Lichtschwankungen
verändern.
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Die Regelung geht nun in folgender Weise vor sich: Zunächst ist die
Entladungsstrecke 4 gesperrt, so daß die Erregerwicklung 3 über die Entladungsstrecke
6 und den Widerstand 7 geschlossen ist. Dabei sinkt die Generatorspannung rasch
ab. Praktisch gleichzeitig damit sinkt auch der Lichtstrom der drei Glühlampen i2.
Die Photozelle il erhält nun eine geringere Beleuchtungsstärke, und somit verringert
sich der Anodenstrom der Entladungsstrecke io. Dieser Vorgang hat eine Vergrößerung
des Anodenstromes der Entladungsstrecke g und wiederum eine entsprechende Verkleinerung
des Anodenstromes der Entladungsstrecke 8 zur Folge- Hierdurch wird das Gitter der
Entladungsstrecke 4 positiv, das dagegen der Entladungsstrecke 13 negativ. Die Entladungsstrecke
4 zündet und löscht, sofern diese vorher gebrannt hat, über den Kondensator 14 die
Entladungsstrecke 13. An der Erregerwicklung 3 liegt nunmehr die volle Gleichspannung,
so daß der Erregerstrom, die Generatorspannung und damit auch der Lichtstrom der
Glühlampen 12 zunimmt. Das hat seinerseits wieder eine Änderung der Entladungsströme
in den Entladungsstrecken 8 bis io in umgekehrter Richtung zur Folge. Die Gitterspannung
der Entladungsstrecke 13 wird jetzt positiv, diejenige der Entladungsstrecke 4 negativ.
Dadurch zündet .die. Entladungsstrecke 13 und löscht die Entladungsstrecke 4. Der
Entladungsstrom in der Entladungsstrecke 13 durchfließt die nur als Belastung dienende
Glühlampe 16. Die Erregung ist damit ausgeschaltet und es setzt die Entregung der
Wicklung 3 über die Entladungsstrecke 6 und den Widerstand 7 ein.
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Je nach der Einstellung des oben beschriebenen Gleichstromverstärkers
mit den Entladungsstrecken 8 bis io lassen sich die verschiedensten Regelbedingungen
erfüllen. Zunächst soll die negative Vorspannung 15 der Entladungsstrecken 8 bis
io möglichst groß sein, damit eine gute Verstärkung der Photozellenspannung erreicht
wird. Diese Größe kann im übrigen auch durch die Höhe der Saugspannung 17 bzw. durch
den Regelwiderstand 18 geändert werden. Durch passende Auswahl der Größe der Glühlampen
12 kann man ferner schon allein durch die Trägheit des Glühfadens (gegebenenfalls
unter Verwendung von Kohlenfadenlampen) eine mehr oder minder große Dämpfung des
Regelvorganges erzielen. Um den Lichtstrom der drei Glühlampen so aufeinander abzustimmen,
daß die Photozelle eine praktisch konstante Beleuchtungsstärke auch bei einer etwa
auftretenden, dauernd unsymmetrischen Belastung einzelner Phasen des Netzes erhält,
kann man in Reihe zu jeder Lampe einen kleinen einstellbaren, in der Abbildung nicht
gezeigten Widerstand schalten.
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Wichtig ist ferner die Einstellung der beiden Entladungsstrecken 8
und g. Man kann z. B. erreichen, daß die Entladungsstrecke 8 das Gitter der Entladungsstrecke
4 erst dann freigibt, wenn die Generatorspannung; die normalerweise 22o Volt betragen
soll, z. B. auf äio Volt abgesunken ist. Andererseits aber soll die Entladungsstrecke
g das Gitter der Entladungsstrecke 13 erst dann wieder freigeben, wenn die Generatorspannung
bis auf 230 Volt angestiegen ist. Da immer die Freigabe einer der Entladungsstrecken
4 bzw. 13 für das Umschalten der Erregung maßgebend ist, wird somit allein durch
das Einstellen der Entladungsstrecken 8 und g erreicht, daß die Generatorspannung
zwischen 210 und 230 Volt hin und her pendelt. Dieses Aufundabpendeln der
Generatorspannung erfolgt mit. einer Geschwindigkeit, die von der Höhe der angelegten
Gleichspannung, der Größe des Dämpfungswiderstandes 7 und von der Zeitkonstante
der Erregerwicklung abhängt. Auch dadurch, daß man die Spannungsgrenze, zwischen
der die Generatorspannung hin und her pendelt, durch Wahl geeigneter Widerstände
im Anoden- und Gitterkreis von 8 und g verkleinert, kann man es erreichen, daß die
Spannung je Zeiteinheit häufiger hin und her pendelt. Die Grenze für diese Regelfrequenz
ist durch den Kommutierungskondensator 14 gegeben, dessen Um-Ladung beendet sein
muß, ehe eine neue Kommutierung zwischen den Entladungsstrecken 4 und 13 erfolgt
und damit die Möglichkeit einer Umschaltung vom Erregungs- auf Entregungsbetrieb,
oder umgekehrt, gegeben ist.
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Die Größe der vom Generator i abgegebenen Spannung läßt sich nun noch
in der verschiedenartigsten Weise einstellen bzw. verändern. Beispielsweise kann
man zwischen die drei Lampen und die Photozelle Filter schalten, die
der
Photozelle eine geringere Lampenhelligkeit vortäuschen. Durch die Zwischenschaltung
eines Lichtfilters steigt unter sonst gleichen Bedingungen die Motorspannung an,
ohne daß irgendeine Änderung an den Regelbedingungen (Regelfrequenz oder Regelbereich)
vorgenommen werden muß. Eine andere Art der Spannungsregelung kann durch die Änderung
der Gittervorspannung einer der Entladungsstrecken 8 bis io - getrennt oder gemeinsam
- erreicht werden. Endlich kann auch noch für den gleichen Zweck einer der Kopplungswiderstände
des Gleichstromverstärkers geändert werden. Durch alle diese Maßnahmen hat man es
in der Hand, einerseits die Größe der vom Generator gelieferten Spannung und andererseits
die Geschwindigkeit der Netzregelung bei Belastungsänderungen einzustellen.