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Anordnung zur Frequenz- bzw. Drehzahlgleichhaltung Für den Betrieb
von Wechselstromgeneratoren; Kommandoumformern u. dgl. ist es häufig notwendig,
daß die Drehzahl des Maschinensatzes bzw. die erzeugte Frequenz sehr genau konstant
gehalten wird und daß auch bei beträchtlichen Belastungsspregen die auftretenden
Abweichungen innerhalb vorgegebener kleiner Grenzen bleiben und außerdem in kurzer
Zeit wieder verschwinden.
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Für solche und .ähnliche Regelzwecke sind Frequenzregler mit einem
oder mehreren Schwingungskreisen bekannt, deren Wirkung auf der verhältnismäßig
steilen Änderung der Spannungsamplitude oder -phase in der Nähe der Eigenfrequenz
des Schwingkrensies beruht und die z. B. den abgestimmten: Schwingungskreis als
Frequenznormal benutzen. So ist z. B. eine Frequenzregelschaltung bekannt, bei der
der abgestimmte Schwingungskreis den Zweig einer Brücke bildet, die in ihren übrigen
Teilen aus entsprechend abgestimmten Widerständen besteht. Die im Diagonalzweig
dieser Brücke entstehende Spannung ist von der Frequenz der angelegten Spannung
hinsichtlich ihrer absoluten Größe und ihrer Phasenlage abhängig und wird zusammen
mit einer bezüglich ihrer Phase frequenzunabhängigen Spannung gleicher Frequenz
einer Vergleichsvorrichtung, beispielsweise einer Dreielektrodenröhre, so zugeführt,
daß je nach der Größe der Frequenzänderung der Brückenausgangsspannung KompenGationsströme
oder -spannungenerzeugt werden, die zur Frequenzregelung dienen. Der Dreielektrodenröhrs
wird dabei die :eine Spannung im Gitterkreis, die andere im Anodenkrens zugeführt.
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Die Erfindung betrifft eine verbesserte Frequenzregelschaltung mit
dem besonderen Ziel, in möglichst einfacher Weise eine möglichst große Frequenz-
bzw. Drehzahlkonstanz bei möglichst kurzzeitiger und dabei doch dynamisch günstigster
Ausregelung von Schwankungen zu .erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die Spannung an der Drossel eines auf die Sollfrequenz
abgestimmten
und an den zu regelnden Frequenzgenerator angeschlossenen
Reihenresonanzkreises unmittelbar dem Steuergitter einer gittergesteuerten Dampf-
oder Gasientladungsstrecke mit :eindeutiger Stromdurchlaßrichtun;g zugeführt, deren
Anodenspannung @ebenfalls vom Frequenzgenerator geliefert wird und deren Stromdurchlaßfähigkeit
demzufolge von der Phasenlage der Drosselspannung in bekannter Weise abhängig ist.
Durch Gegenschaltung einer festen Gleichspannung gegen die im Anodenkreis der Röhre
erzeugteGleichspannung läßt sich demzufolge der bei Frequenzschwankungen steil veränderliche
Phasenwinkel der Drosselspannung in eine entsprechend um den Mittelwert Null nach
positiven und negativen Werten veränderliche Gleichspannung umwandeln, die gemäß
-einer Weiterbildung der Erfindung zusammen mit einer festen Wechselspannung in
bekannter Weise über eine oder mehrere gittergesteuerte Entladungsstrecken die Erregung
des Antriebsmotors für die Frequenzmaschine steuert.
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Um die Regelvorgänge gegen Pend.elungen zu sichern und um andererseits
die etwa durch Laststöße hervorgerufenen- Frequenzsch-,vankungen doch sehr schnell
ausregeln zu können, d. h. tun mit der dynamisch günsti"-sten Regelkennlinie arbeiten
zu können, sieht die Erfindung weiterhin :eine Dämpfung der resultierenden Steuergleichspannwngsänderungen
durch einen aus Kondensator und Widerstand aufgebauten Zeitkreis vor, wobei jedoch
das Gitter des das Motorfeld steuernden Arbeitsrohres zusätzlich über einen zweiten,
ähnlich aufgebauten Zeitkrens :einte Spannung aufgedrückt -erhält, die im Anodenkreis
dies Steuerrohres abgegriffen ist und im Sinne einer tiberregelung zu wirken sucht.
Das Verhältnis zwischen Dämpfung und Anfa:chung ist auf diese Weise durch Einstellung
der Zeitkreisel-mente so veränderbar, daß für jede zu regelnde Maschinentype jede
gewünschte Regeldynamik :einstellbar ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
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Die grundsätzliche Regelschaltung ist in Abb. i dargestellt. Die Wechselspannung
des in seiner Frequenz zu regelnden Generators i wird über einen Transformator 2
an einen Reihenreso.nanzkreis 3, bestehend aus dem Kondensator 41 und einer E.isendros:sel
42, gelegt. "Ist z. B. 41 ein konstanter Glimmerkondensator in der Größenordnung
von i ,ccF, dessen Kapazität bei Temperaturschwankungen zwischen io und 30° weniger
als i°/oo schwankt, und beträgt die Induktivität etwa io Henry (sie möge durch Veränderung
eines Luftspaltes, der im Mittel z. B. 2 Bam weit ist, einstellbar sein), so ergibt
sich bei einem Ohmschen Widerstand der Spule von go Ohm und einem Eisenv erlustwiderstand
von ; 5 Ohm ein Spannungsverhältnis A= i g. Bei einer Speisespannung von 5 Volt
steigt also für dieses Beispiel im Resonanzfall die Spannung .,an der Drossel 42
auf 95 Volt. Abb. 2 zeigt dif. Größe und den P,has@enwinkel dieser Spannung an der
Drossel. Da sich bekanntlich. eine stabile Regelung am besten bei Benutzung des
Phasenwinkels der Drosselspannung erreichen läßt, wird diese Drosselspannung, die
im Resonanzfall um go' gegen die Generatorspannung verschoben ist, in an sich bekannter
Weise als Gitterspannung einer gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecke
5-(Steuerrohr;) vertc.endet, deren Anodenspannung die Spannung des Generators i
ist. Bei Nennfrequenz ist das Rohr also halb offen. An dem Belastungswiderstand
R, tritt eine Gleichspannung Ui auf. Dieser Spannung wird eine Gleichspannung U
entgegengeschaltet, die dem Wechselstromnetz über einen Gleichrichter :entnommen
wird. U. ist so eingestellt, daß im Resonanzfall U# U, die Summe beider
Spannungen U.; also gleich Null ist. Bei Freqtienzändert7ngen wird das Steuerrohr
5 mehr oder weniger geöffnet, Ui ändert sich, so daß U3 positive und negative Werte
annahmen kann.
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Das Feld des drehzahlgeregelten Antriebsmotors 6 wird von einer zweiten
gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecke gespeist, deren Anodenspannung
ebenfalls dem Wechselstromnetz entnommen ist. Dieses Arbeitsrohr erhält eine um
go' gegen die Anodenspannung verschobene feste Gitterwechselspannung, der die Regelgleichspannung
U3 überlagert wird. Beim Regelvorgang hebt und senkt U3 die go--Spannung, verschiebt
damit den Zündpunkt des Arbeitsrohres und wirkt somit auf die Größe des mittleren
Feldgleichstromes ein.
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Im vorstehenden ist der Normalfall vorausgesetzt, daß die Zündkennlinie
des Arbeitsrohres 7 praktisch mit der Nullinie zusammenfällt. Verläuft die Zündkennlinie
dagegen mehr im Gebiet negativer oder positiver Gitterspannungen, d. h. ist die
kritische Gitterzündspannung von Null verschieden, so läßt sich der Abgleich der
beiden Spannungen Ui und U2 durch entsprechende Bemessung dem leicht anpassen, so
daß die resultierende Steuergleichspannung U3 bei Sollfrequenz jeweils den Wert
der kritischen Gitterzündspannung annimmt.
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Bis zum Gitter des Arbeitsrohres ist die beschriebene Schaltung spannungsunabhängig.
Die Induktivität der Drossel ändert sich nämlich bei Wechselspannungsschwankungen
von etwa ± i o Q/o praktisch nicht; die Gleichspannungen Ui und U. sind beide proportional
der Wechselspannung, deshalb .auch die Spannung
U3; da die go°-Spannung
ebenfalls der Generatorspannung proportional ist, tritt mithin bei Änderung der
Wechselspannung keine Verschiebung des Zündpunktes ein. Dagegen ist der Anodenstrom
des Arbeitsrohres 7 von der Wechselspannung abhängig. Bei sinkender Generatorspannung
wird also die Motorerregung kleiner, d. h. die Drehzahl und damit die Frequenz höher
sein, bei steigender Generatorspannung wird `sie sich umgekehrt verhalten.
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Diese Spannungsabhängigkeit kann man gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung durch teilweise Stabilisierung der Gegenspannung U2 beseitigen. So wird
z. B. bei größerer Wechselspanming die Regelspannung U1 größer sein als die Gegenspannung
U2. U3 wird negativ, das Arbeitsrohr öffnet weniger, und zwar um so viel wenüger,
däß der durch :die Feldwicklung des Motors 6 fließende Gleichstrom denselben Wert
behält wie bei normaler Wechselspannung. Besitzt der Umformereinen Wechselspannungsregler,
so kann auf diese Kompensation, die ein Stabilovoltrohr an Stelle des Widerstandes
R2 erfordert (vgl. Abb. ia), verzichtet werden.
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Da infolge der großen Regelsteilheit der Umformer stark pendeln würde,
wird gemäß einer anderen, Weiterbildung der Erfindung die .Steuerspannung U3 durch
den Zeitkreis R3, C3 dem Gitter des Arbeitsrohres, 7 verzögert zugeführt. Der Dämpfungskreis
hat zur Folge, daß der vom Arbeitsrohr 7 gelieferte Erregerstrom den Drehzahländerungen
nur langsam folgt. Erwünscht ist aber im Gegenteil eine schnelle Ausregelung derdurrh
Laststöße hervorgerufenen Frequenzschwankungen. Zu dem Zweck erhält das Gitter des
Arbeitsrohres 7 über den Kondensator C4 eine der Änderungsgeschwindigkeit .der Spannung
am Widerstand R5 proportionale Spannung, die ein Überregeln. bewirkt, so daß z.
B. bei einem Belastungsstoß der Erregerstrom zum Abfangen des Umformers i, 6 sehr
klein wird, :dann aber der normale gedämpfte Regelvorgang einsetzt. Bestimmt wird
das Verhältnis zwischen Dämpfung und Anfachung durch die Zeitkreise R3, C3 und R4,
C4, die für j ede Maschinentype j e nach der gewünschten Dynamik der Regelung eingestellt
werden. können.
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Die Spannung U2 wird an einem festen Widerstand R2 und seinem Potentiom@eter
P2 abgegriffen. Man hat dadurch die Möglichkeit, die Frequenz in kleinen Grenzen
zu regeln, so daß einmal die Drossel q.2 nicht genau ,eingestellt zu werden braucht,
andererseits Abweichungen von der Sollfrequenz, wenn sich welche nach längerer Betriebszeit
herausstellen sollten, ausgeglichen werden können. Die gleiche Schaltung läßt sich
vorzüglich auch als Frequenzmesser benutzen. Dabei fallen der Regelkreis, der Dümpfungs-
und Anfachungskreis fort. Die Spannung U3 wird vielmehr mit einem empfindlichen
Galvanometer gemessen. Eine Drossel hält, unterstützt von einem Kondensator, zweckmäßig
die starke Wechselspannungskomponente in der Gleichspannung U3 vom Galvanometer
fern. Die Empfindlichkeit der Meßgeräte kann beliebig gesteigert werden durch Vergrößerung
der Spannungen Ui und U2 und durch Benutzung eines empfindlichen Galvanometers
(vgl. Abb.3).
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Mit dem beschriebenen Frequenzregler läßt sich die Frequenzabweichung
z. B. bei einer Änderung der dem Antriebsmotor zugeführten Netzgleichspannung um
-f- io% und im, Bereich zwischen Leerlauf und Vollast in den Grenzen von etwa -;-
o,4% halten. Bei Belastungsstößen von Leer- und Vollast läßt sich die maximale Drehzahlabweichung
auf 3 0'o begrenzen. Nach i, i Sekunden lag bei Durchführung entsprechender Versuche
die Frequenz bereits wieder innerhalb ihrer normalen Regelgrenzen von ±0,5010. Beim
Entlasten der Maschine wurden dieselben Werte zu 2,7% und o,35 Sekunden gemessen.