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verfahren zur Nachsteuerung einer Frequenz Es sind Verfahren zur Nachsteuerung
einer Frequenz nach einer vorgegebenen Frequenz bekanntgeworden, bei denen ein in
seiner Frequenz beeinflußbarer Generator durch eine aus -dem Vergleich der beiden
Frequenzen nach ihrer gegenseitigen Phasenlage gewonnene Steuerspannung so gesteuert
wird, daß die von ihm erzeugte Frequenz identisch mit einer vorgegebenen Frequenz
wird. Als ein solcher in seiner Frequenz beeinflußbarer Generator kann z. B. ein
Röhrengenerator verwendet werden, der in seinem die Frequenz bestimmenden Schwingkreis
einen durch eine Gleichstromgröße zu steuernden veränderlichen Blindwiderstand enthält,
etwa eine mit Gleichstrom vormagnetisierte Eisendrossel oder eine Röhrenschaltung,
bei der durch die Gittervorspannung die Steilheit und damit die Rückwirkung eines
im ,Gitterkreis liegenden Blindwiderstandes auf den Anodenkreis geändert werden
kann. Auch ein motorisch angetriebener Generator kann benutzt werden. So ist z.
B. für Fernmeßzwecke voigeschlagen worden, einen Gleichstromzähler mit Kontaktvorrichtung
oder Wechselstromgenerator in Form eines kleinen Tonrades in einer-solchen Nachsteuerschaltung
zu verwenden, wobei durch die Gleichstromsteuer größe unmittelbar die Drehzahl des
Gleichstromzählers bestimmt wird.
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Die Steuergröße wird bei diesen bekannter. Schaltungen durch den Phasenvergleich
der beiden Frequenzen, z. B. durch Bildung und Gleichrichtung der Summen- oder Differenzspannung
erzeugt. Nimmt man an, daß beide Frequenzen genau gld.ch sind, so ist ein Gleichgewichtszustand
für die Steuerung nur möglich, wenn die Steuergröße gerade den Wert hat, der zur
richtigen Frequenz führt, die Phasenverschiebung zwischen den beiden Frequenzen
bzw. Spannungen also gerade so ist, daß diese Steuerspannung zustande kommt. Der
Gleichgewichtszustand ist in einem gewissen Bereich stabil, dann nämlich, wenn z.
B. bei einer zu hohen nachgesteuerten Frequenz und dadurch bedingten Voreilung
und
Vergrößerung der Phase die Steuerspannung immer größer wird und diese Vergrößerung
der Steuerspannung wieder zu einer kleineren Frequenz und damit Korrektur der Frequenzabweichung
führt. Bei der erwähnten Schaltung zur Bildung der Summenspannung ist dies etwa
der Bereich von o bis i8o", während der Bereich von i8o bis 36o" labiles Gleichgewicht
ergibt.
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Aus diesem begrenzten Regelbereich ergibt sich auch die Eigenschaft
einer solchen Nachsteuerung, daß das Gleichgewicht nur dann erhalten werden kann,
wenn die nachzusteuernde Frequenz so schnell folgen kann, daß nach einer vorübergehenden
Störung des Gleichgewichtszustandes infolge einer Abweichung die Phasenverschiebung,
d. h. also das Integral der Frequenzdifferenz, keine so großen Werte annimmt, daß
der Regelbereich nach unten oder oben überschritten wird. Eine ähnliche Schwierigkeit
entsteht bei der Inbetriebnahme dadurch, daß dabei ebenfalls die nachgesteuerte
Frequenz in einer sehr kurzen Zeit auf den richtigen Wert gebracht werden muß, wenn
ihr Ausgangswert nicht schon sehr gut in der Nähe der vorgegebenen Frequenz liegt.
Je näher die beiden Frequenzen von vornherein liegen, desto länger dauert eine Schwebung
zwischen ihnen und damit die genannte Zeit, die der halben Schwebungsdauer entspricht.
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Man hat deshalb auch vorgeschlagen, durch eine zusätzliche Maßnahme
die Ausgangsfrequenz für den nachzusteuernden Generator schon so weit in die Nähe
der vorgegebenen Frequenz zu legen, daß ein sicheres Intrittfallen gewährleistet
ist. Insbesondere ist dies bei solchen Generatoren notwendig, die eine größere Trägheit
aufweisen, z. B. die erwähnten motorisch angetriebenen. Bei dem genannten Gleichstromzähler
für Fernmeßzwecke kann dies nach einem Vorschlag in der Weise erreicht werden, daß
ein Gleichstrom, der der vorgegebenen Frequenz proportional ist, durch den Zähler
geschickt wird, der dann schon etwa die richtige Frequenz liefert, so daß die Phasenregulierung
nur noch die fehlende Differenz einzuregeln hat und daher leichter innerhalb ihres
Regelbereiches arbeiten kann.
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Oft ist aber eine '-solche Maßnahme, die eine völlig unabhängige Einstellung
der Ausgangsfrequenz des nachzusteuernden Generators verlangt, sehr unbequem und
nur mit einem großen Aufwand durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung gibt einen anderen Weg an, wie die beschriebene
Phasenregelung durch eine zusätzliche Maßnahme in ihrem Regelbereich unterstützt
und ein selbsttätiges Intrittfallen herbeigeführt werden kann, ohne daß e s erforderlich
ist, die Ausgangsfrequenz des nachgesteuerten Generators durch eine unabhängige
Einrichtung einzustellen. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme besteht
dabei darin, daß der über dieselbe Regeleinrichtung wirksam werdende zusätzliche
Regeleinfluß ebenfalls aus einem Vergleich der vorgegebenen und der eigenerzeugten
Frequenz gebildet wird. und zwar nicht nur dem Momentanwert der Frequenzen nach,
sondern durch eine Inte-U U ation, die die Genauill, -keit des Vergleichs Z, wesentlich
erhöht und damit das Intrittfallen der Regelung auch bei stark wechselnden vorgegebenen
Frequenzen erleichtert.
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Erfindungsgemäß wird die Nachsteuerung einer durch einen in seiner
Frequenz mittels einer Steuergröße beeinflußbaren Generator erzeugten Frequenz nach
einer vorgeg°benen Frequenz dadurch herbeigeführt, daß die Steuergröße aus mindestens
zwei Anteilen zusammengesetzt wird, von denen der erste durch den Vergleich der
nachzusteuernden und der vorgegebenen Frequenz nach Momentanwert und nach Integralwert
gewonnen wird und die angenäherte Nachsteuerung der Frequenz bewirkt, während der
zweite Anteil durch den Vergleich der beiden Frequenzen nach ihrer gegenseitigen
Phasenlage gewonnen wird und die völlige übereinstimmung der Frequenzen herbeiführt.
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Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug
genommen, die Ausführungsbeispiele wiedergeben. Dabei wird in einem Teil der Beispiele
statt einer Wechselstromfrequenz die Frequenz von Impulsen, d. h. Wechsel von Schließen
und öffnen eines Stromkreises, benutzt, für die das erfindungsgemäße Verfahren auch
braLiclibar ist. Der Generator zur Erzeugung der Frequenz kann in diesem Falle aus
einer einfachen Kontaktvorrichtung bestehen. Er ist in allen Fällen nicht näher
beschrieben, da seine Einzelheiten 1 nicht wesentlich sind für die Erfindung, die
sich vielmehr nur auf das Verfahren und die Schaltungsanordnung zur Gewinnung des
aus den beiden Anteilen zusammengesetzten Steuereinflusses bezieht. Die Figuren
stellen dar: Fig. i ein Ausführungsbeispiel zur Nachsteuerung einer verhältnismäßig
niedrigen Impulsfrequenz, Fig. z eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Anordnung nach Fig. i, Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Nachsteuerung
einer verhältnismäßig niedrigen Impulsfrequenz, Fig. ¢ und 5 Kurvendarstellungen
zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig.3. Fig. 6 ein weiteres
Ausführungsbeispiel zur
Nachsteuerung einer verhältnismäßig niedrigen
Impulsfrequenz, Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel zur Nachsteuerung einer beliebigen
Wechselstromfrequenz.
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In Fig. i wird die vorgegebene Impulsfr equenz il an die Klemmen i-
und 2 gelegt und bringt die beiden Relais 3 und 4 zum Ansprechen, wenn bei Stromschluß
Spannung angelegt wird, und läßt sie abfallen, wenn keine Spannung vorhanden ist.
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Das Relais 4 hat eine Abfallverzögerung, so daß es erst eine gewisse
Zeit nach dem Relais 3, das keine Abfallverzögerung hat, abfällt. Der aus dem Ruhekontakt
5 des Relais 3, dem Arbeitskontakt 6 des Verzögerungsrelais 4 und dein Vörwiderstand
7 bestehende, aus der Batterie 8 gespeiste Stromkreis ist daher bei jedem Impuls
einmal für die konstante Verzögerungszeit geschlossen, da er beim Abfallen des Relais
3 über den dann sich schließenden Ruhekontakt geschlossen wird und so lange geschlossen
bleibt, als das Relais 4 noch nach dem Stromloswerden angezogen bleibt und seinen
Arbeitskontakt 6 noch geschlossen hält. Bei konstanter Spannung der Batterie fließt
daher ein im wesentlichen bestimmter Strom während einer konstanten Zeit bei jedem
Impuls, im Mittel also ein Stromil, der der Impulsfrequenz f1 verhältnisgleich ist.
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An die Klemmen 9 und io wird die von dem zu steuernden Impulsgenerator
gelieferte Frequenz f2 gelegt, die die beiden Relais i i ohne Abfallverzögerung
und 12 mit Abfallverzögerung zum Arbeiten bringt. Der aus dem Arbeitskontakt 13
des Relais i i, dem Ruhekontakt 14 des Verzögerungsrelais 12 und dem Vonviderstand
15 bestehende, aus der Stromquelle i6 gespeiste Stromkris arbeitet ganz ,ähnlich
wie der vorher beschriebene; @es fließt in ihm ein wegen des umgekehrten Anschlusses
der Stromquelle mit entgegengesetztem Vorzeichen darzustellender mittlerer Strom
r2, dessen Größe der Impulsfrequenz f2 proportional ist.
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Über die in Reihe geschalteten Arbeitskontakte 17 des Relais 3 und
18 des Relais 11 sowie den Vorwiderstand 19 kommt, gespeist von der Batterie
16, noch ein Strom i3 zustande, der aus einzelnen Stromstößen besteht, die während
der Zeit fließen, in der beide Impulse der beiden Impulsfrequen-zen f 1 und
f 2 gleichzeitig vorhanden sind, beide Relais 3 und i i also gleichzeitig
angesprochen sind. Der Stromis wird in seiner Größe damit von der gegenseitigen
Phasenlage der beiden Impulse voneinander in .einer in Fig.2 noch näher erläuterten
Weise abhängig.
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Der Kondensator 2ö, der durch einen einsteilbaren Widerstand 21 entladen
wird, speichert nun die genannten Ströme. Die Ladung eines Kondensators ist bekanntlich
gleich dem Integralwert des in ihn fließenden Stromes. Die an ihm liegende Spannung
ist der Ladung verhältnisgleich, wobei die Proportionalitätskonstante das Reziproke
der Kapazität ist. Der Stromil lädt den Kondensator auf, erhöht also mit der Zeit
seine Spannung. Die Strömei2, i3 und auch der über den Parallelwiderstand 21 fließende
Entladungsstromi4 dagegen entladen den Kondensator 2o, dessen Spannung an den Klemmen
22 und 23 abgenommen wird und die zum Nachsteuern des Impulsgenerators dienende
Steuerspannung u, darstellt.
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Zur Erläuterung sei etwa angenommen, daß der Impulsgenerator aus einem
Gleichstromzähler mit Kontaktvorrichtung bestehen möge, wie er für Fernmeßzwecke
verwendet wird. Dabei kann der Sinn - der Nachsteuerung dieses Zählers auf gleiche
Impulsfrequenz darin bestehen, daß damit eine Umwandlung der -vom Geberzähler her
übertragenen Impulsfrequenz in eine Anzeige -erreicht wird. Legt man nämlich den
Gleichstromzähler, der natürlich ein Spezialzähler mit sehr kleinem Stromverbrauch
sein muß, an die Klemmen 22 und 23, so wird seine Drehzahl durch die Steuerspannung
u, vorgeschrieben; gleichzeitig kann diese aber auch z. B. mit einem Drehspulinstrument
angezeigt werden, das wegen der Proportionalität zwischen der Zählerdrehzahl und
der am Zähler ,angelegten Spannung einerseits und der Zählerdrehzahl und der von
der Kontaktvorrichtung ausgesandten Impulsfrequenz andererseits einen Ausschlag
.proportional der Impulsfrequenz annimmt und daher in Einheiten der ursprünglichen,
vom Geberzähler gemessenen Meßgröße, z. B. einer elektrischen Leistung, geeicht
werden kann.
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Doch kann der Impulsgenerator auch von beliebig anderer Art sein,
wenn er nur die Eigenschaft hat, daß die von ihm erzeugte Impulsfrequenz eindeutig
von der Steuerspannung abhängt, z. B. mit steigender Steuerspannung zunimmt. Dann
wird sich ein Gleichgewichtszustand einstellen, zu dessen Verständnis es am besten
ist, wenn man zunächst den Strom 13 wegläßt, den Widerstand 21 sehr hoch annimmt,
so daß auch der Strom!-, vernachlässigt werden kann, und schließlich auch annimmt,
daß an den Klemmen 22 und 23 kein Stromverbrauch durch den Steuerkreis des angeschlossenen
Impulsgenerators stattfindet. Dann bleiben also nur die beiden Teilströme il und
i2, die der vorgegebenen Impulsfrequenz f 1 und der vom nachzusteuernden Impulsgenerator
gelieferten Impulsfrequenz f2 proportional sind. Der Teilstromil
lädt
den Kondensator auf, der Teilstrom: entlädt ihn. Nur wenn beide genau gleich sind,
bleibt die Spannung am Kondensator 2o konstant. Ist z. B. il größer, so steigt die
Spannung am Kondensator, also auch die Steuerspannung tt,, langsam, aber stetig
bis zur Spannung der Batterie 8 immer weiter an. Damit wird aber die Impulsfrequenz
1.2 des Impulsgenerators erhöht; der Strom i, steigt damit ebenfalls stetig an,
und zwar so lange, bis er genau die Größe des Stromes il erreicht hat. Durch diesen
Zustand ist also der stabile Gleichgewichtszustand gegeben, der völlige Gleichheit
der Ströme il und i. voraussetzt. Damit ist natürlich noch nicht die völlige Gleiehheit
der Impulsfrequenzen f1 und f2 erreicht, da die Proportionalitätsfaktoren zwischen
Frequenz und Strom bei beiden Schaltungen nicht völlig gleich zu sein brauchen und
auch auf die Dauer Änderungen, z. B. durch eine kleine Veränderung der Abfallzeiten
der verzögerten Relais oder der Batteriespannungen, erfahren können.
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Dieser Anteil der Regelung ist also nicht imstande, eine völlige Gleichheit
der Impulsfrequenzen herbeizuführen. Dies geschieht vielmehr erst durch die Schaltung
für den Teilstrom i3, deren Wirksamkeit durch die Fig, 2 noch besonders erläutert
wird.
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In Fig.2 bedeuten die beiden oberen Kurven die von den beiden Impulsfrequenzen
hervorgerufenen Stromkurven. Zum Zeitpunkt 1l wird durch die Impulsfrequenz
il
die Spannung weggenommen, zum Zeitpunkt t. wieder zugeschaltet, bei t3
wieder abgeschaltet usf. Die Ktirve darunter gibt die Impulse der Impulsfrequenz
f2 wieder, bei denen zum Zeitpunkt 1l' die Spannung zu-. bei t.' ab-, bei t3' wieder
zugeschaltet wird usf. Die Reihenschaltung der beiden Arbeitskontakte 17 und 18
bewirkt, daß ein Strom nur dann fließen kann, wenn beide Relais angesprochen sind,
also z. B. vom Zeitpunkt t. bis zum Zeitpunkt tj. Die Strommenge eines einzelnen
Stromschlusses ist also der schraffierten, mit g bezeichneten Fläche proportional.
Ihre Größe ist von der gegenseitigen Phasenlage der Impulse abhängig. Bezeichnet
man die Zeit zwischen zwei Impulsen, also die Periodendauer, mit T, so kann man
die Versetzung der beiden Impulse durch die Zeit zwischen t1 und t,' in diesem Maße
ausdrükken. Sie ist mit cp T bezeichnet. Fällt t1 und ti zusammen, so sind
die beiden Arbeitskontakte 17 und 18 überhaupt nie gleichzeitig geschlossen, so
daß die Fläche q und damit der Strom i3 zu Null werden. Ist 9p dagegen gleich 1@2,
so wird die Fläche q zu einem Maximum, das in der Kurvendarstellung unten mit g
bezeichnet ist. Zwischen den Werten cp = o und cp =1,@ und c, = i ändert sich g
linear, so daß die Sägezahnkurve entsteht.
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Damit wird also der Strom!" der bei konstanter Impulsfrequenz der
Fläche q proportional ist, von der gegenseitigen Phasenlage der beiden Impulsfrequenzen
gegeneinander abhängig, wobei nur eine Flanke der Sägezahnkurve zu einem stabilen
Gleichgewichtszustand führt, die andere dagegen zu einem labilen. Die stabile Flanke
ist diejenige, bei der die durch die Änderung der Impulsfrequenz eintretende Verschiebung
der Impulse gegeneinander die Steuergröße in dem Sinne beeinflußt, daß eine Richtigstellung
erfolgt.
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Angenommen, die vom nachzusteuernden Impulsgenerator erzeugte Frequenz
sei z. B. zu niedrig, dann wird sich die Impulskurve allmählich nach rechts verschieben,
von einem zum anderen Male also die Zeit t' ein wenig weiter rücken, die Größe cp
also zunehmen. Steigt damit die Steuergrölie und mit ihr die erzeugte Impulsfrequenz
an, so wird die vorhandene Abweichung auskorrigiert, und es stellt sich stabiles
Gleichgewicht ein. Stabil ist also die Flanke der Kurve von cp= o bis Unter Hinzunahme
des Stromes i3 wird sich nur dann ein Gleichgewichtszustand einstellen, wenn il
= i; ; i3 wird, da nur dann die Spannung am Kondensator 2o auf konstanter
Höhe bleibt. Damit muß aber die Impulsfrequenz f= völlig gleich der vorgegebenen
Impulsfrequenz f1 werden, da nur dann die Phasenverschiebung und damit der Strom
i3 konstant bleiben kann. Seine Größe muß gerade so sein, daß sie der Differenz
der Ströme!, und i. gleich ist, die bei der vorgegebenen Impulsfrequenz entstehen.
Es muß durch entsprechende Bemessung der Abfallverzögerungen der Relais 4 und i--
und der Vorwiderstände 7 und 15 dafür gesorgt werden, daß bei gleichen Impulsfrequenzen
f, und f= der Stromil immer größer ist als i-, da i;3 sein Vorzeichen nicht wechseln
kann.
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Mit diesem Anteil der Regelgröße ist die Regelung also in bezug auf
die Frequenzgleichheit völlig genau geworden, was sie mit den beiden Strömen r.'1
und i. noch nicht war.
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Dagegen wäre die Regelung mit 1, allein nicht imstande, von
selbst in den Synchronismus zu kommen. Wie aus der beschriebenen Wirkungsweise Hervorgeht,
ist der stabile Regelbereich nur gewahrt über maximal die Hälfte einer Periodenlänge.
Wenn also bei der Inbetriebnahme die Frequenz/, vorgegeben ist und der vorher in
Ruhe befindliche Impulsgenerator auf die Frequenz gebracht werden soll, so müßte
dies in außerordentlich kurzer Zeit der Fall sein, nämlich in einer halben Periodendauer
oder im halben Impulsabstand;
wenn man es in einer für Impulsfrequenzen
üblichen Größe ausdrücken will.
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Der Regelanteil, der aus !,und 12 besteht, dagegen ist ohne
weiteres in der Lage, von selbst den Synchronismus der Frequenzen. herbeizuführen,
wenn die Schaltung der Trägheit des Generators entsprechend bemessen ist. Wenn bei
der Inbetriebnahme der Kondensator 2o völlig entladen ist, ist die Steuerspannungtas
Null, und es sei angenommen, daß dann auch die erzeugte Frequenz Null sei. Kommen
nun plötzlich die Impulse der Frequenz f1 an, so wird der Kondensator 2o bei jedem
Impuls etwas mehr aufgeladen, und damit wächst die Steuergröße allmählich an, und
damit wird der Generator für die Impulsfrequenz f2 beschleunigt, bis der vorher
beschriebene Gleichgewichtszustand erreicht wird.
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Der auf den Vergleich der Impulsfrequenzen nach ihrem Integrahvert
mit Hilfe der Ströme il und i2 und der Kondensatörspannung zurückgehende Anteil
des Regeleinflusses bedingt also den großen stabilen Regelbereich und das selbsttätige
Intrittfallen, ohne die geforderte Genauigkeit zu erreichen, die erst durch den
zweiten Anteil erzielt wird, der auf dem Phasenvergleich mit Hilfe des Stromes i3
beruht.
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In der Schaltung ist noch ein weiterer Strom i, eingeführt, der ebenfalls
den Kondensator entlädt, so daB der Strom!, entsprechend größer bemessen werden
muß, um auch ihn noch decken zu können. Er hat den Zweck, eine zusätzliche Einstellmöglichkeit
für die 'Regelung zu geben, mit der die Wirkung der Integration verkleinert oder
vergrößert werden kann, je nachdem es @erwünscht ist. Durch den Parallelwiderstand
zum Kondensator wird der Vergleich nämlich gleichzeitig auf die Momentanwerte der
Impulsfrequenzen ausgedehnt, -wie man besonders deutlich sieht, wenn man annimmt,
daß der Widerstand 21 nahezu zu Null gemacht -wird; dann kann sich der Kondensator
überhaupt nicht mehr aufladen. Sieht man nun nicht mehr die Spannung, sondern den
Strom durch den Widerstand 21 oder auch den an ihm .entstehenden -sehr kleinen Spannungsabfall
als Regelgröße an, so ist die Integrationswirkung restlos verlorengegangen, und
die Regelgröße hängt in bezug auf die Ströme il und i2 und damit der Impulsfrequenzen,
f1 und f2 nur von deren Mömentanwert ab. Allerdings ist dann die Steuerspannung
nicht geglättet, sondern enthält die Stöße, aus denen sie gebildet ist.
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Durch die Einstellung der Größe des Widerstandes 2 i kann zwischen
den beiden Extremen (reine Integration ohne Berücksichtigung der Momentanwerte bei
Widerstand Unendlich und reiner Vergleich der Momentamverte ohne Integration bei
Widerstand Null) jeder beliebige Mischungsgrad zwischen beiden eingestellt werden,
wie er für den 'besonderen Zweck der. Regelung besonders günstig ist.
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Fig.3 zeigt eine andere Schaltung, bei der die beiden Regelanteile,
die erfindungsg ema äß vorgesehen werden, nicht unabhängig t' voneinander, sondern
in einer gemeinsamen Schaltung erzeugt werden und daher nicht einzeln betrachtet
werden können. Doch ist nach der vorausgegangenen Anordnung auch dieses Beispiel
verständlich, da seine Wirkungsweise ganz ähnlich ist. Auch bei diesem Beispiel
wird wieder die Verwendung von Impulsfrequenzen vorausgesetzt, die durch elektromechanische
Relais aufgenommen werden können.
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In Fig.3 wird die vorgegebene Impulsfrequenz il an den Klemmen 2¢
und 25 zugeführt lind betätigt das Relais 26, das mit seinen beiden Wechselkontakten
27 und 28 den Kondensator 29 beim jedesmaligen Umlegen mit umgekehrter Polarität
anlegt. Der dabei entstehende Umladestromstoß lädt seinerseits den Kondensator
30 auf, zu dem ein einstellbarer Parallelwiderstand 31 vorgesehen ist. Der
Ladestromstoß wird aus der Batterie 32 .entnommen und hat konstante Strommenge,
solange man die Spannung' am Kondensator 3o als klein gegenüber der Batteriespannung
32 ansieht. Die Spannung am Kondensator 3o entspricht auch hier -wieder einer Mischung
aus dem Momentanwert der Frequenz und ihrem Integralwert, je nach der Einstellung
des Parallelwiderstandes 3 i, da die im Takte der doppelten Impulsfrequenz wiederholten
Umlade stromstößeeinen mittleren Strom ergeben, der bei sonst konstanten Werten
der Impulsfrequenz proportional ist.
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Für die Impulsfrequenz des nachzusteuernden Generators f2, die an
den Klemmen 33 und 34 dem Relais 3 1 zugeführt -wird, besteht eine ganz ähnliche
Schaltung. Das Re= lais 35 polt mit seinen Wechselkontakten 36 und 37 den Kondensator
38 um. Die speisende Batterie 39 ist jedoch mit umgekehrter Polarität gegenüber
der von 32 angeschlossen, so daß mit jedem Stromstoß bei der Umladung des Kondensators
38 die Ladung und damit die Spannung des Kondensators 30 vermindert wird.
Die Spannung am Kondensator 3o hängt also auch hier -nieder von der Gleichheit des
vom Kondensator 29 erzeugten Ladestromes und des vom Kondensator 38 erzeugten Entladestromes
ab. Gleichgewicht besteht, wenn unter Berücksichtigung der Vorzeichen die Ströme
über den Kondensator 29, über den Kondensator 38 und über den Parallelwiderstand
31 zusammen die
Summe Null ergeben, was wieder zu einem Zustand
führt, bei dem die Impulsfrequenzen f, und f2 angenähert gleich sind.
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Die Spannung am Kondensator 3o wird bei dieser Schaltung nicht unmittelbar
als Steuerspannung verwendet, sondern sie liegt am Gitter einer Verstärkerröhre
4o, deren Anodenspannungsquelle 41 und deren Gittervorspannungsquelle 4z ist. Mit
Hilfe eines Spannungsteilers 43 kann ein einstellbarer Teil als Gitterspamiung verwendet
werden. An die Klemmen 44 und 45 ist der Steuerkreis des nachzusteuernden Impulsgenerators
gelegt zu denken, also z. B. der Anker des vorgeschriebenen Gleichstromzählers mit
Kontaktvorrichtung.
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Die Verstärkerröhre gibt dabei nicht nur die Möglichkeit einer Verstärkung
der Spannungen, sondern sie ermöglicht auch noch zusätzlich die Einführung des phasenabhängigen
Regelanteils, der zur Vervollständigung der Erfindung gehört. Erforderlich dazu
ist, daß die Verstärkerröhre in einem Teil ihrer Gitterspannungs Anodenstrom-Kennlinie
betrieben wird, der quadratischen Charakter hat.
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In Fig. 4 ist die Spannung uc am Kondensator 3o dargestellt unter
der Voraussetzung, daß die beiden Impulsfrequenzen/1 und f. nahezu gleich sind und
nur eine veränderliche Phasenlage aufweisen, die wieder durch die Größe g) ausgedrückt
ist. Es ist angenommen, daß in den Zeitpunkten t" t. und t3 jeweils in einem Zeitabstand
T das Relais 26 seine Kontakte umlegt, worauf die Spannung am Kondensator
entsprechend der vom Kondensator 2.9 herrührenden zusätzlichen Ladung plötzlich
um ein bestimmtes Maß ansteigt. In den Zeitpunkten(,', t.' legt dagegen das Relais
35 seine Kontakte um und bringt damit eine bestimmte zusätzliche, vom Kondensator
38 herrührende negative Ladung auf den Kondensator 30, so daß sich dessen Spannung
um eine bestimmte Stufe erniedrigt. In den Zwischenzeiten sinkt . außerdem die Kondensatorspannung
30 wegen der dauernden Entladung durch den Parallelwiderstand 31 nach einem
exponentiellen Verlauf ab, wobei die kurzen Kurvenstücke nahezu als Gerade erscheinen.
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Die Kurvendarstellung links und rechts unterscheiden sich nun durch
die Größe der Phasenverschiebung (p T zwischen den Impulsen. Links ist ein
größerer, rechts ein sehr kleiner Wert von cp zugrunde gelegt. Die Mittelwerte der
Kondensatorspannung sind in beiden Fällen dieselben, da dieselben Impulsfrequenzen
zugrunde gelegt sind. Jedoch ergibt der quadratische Charakter der Kennlinie der
Verstärkerröhre 40 trotzdem, daß in beiden Fällen verschiedene Werte des Anodenstromes
zustande kommen. In Fig. 5 ist die Abhängigkeit des Anodenstr omes i" von der Phasenverschiebung
cp aufgetragen. Auch hier ergibt sich für cp = e,
(p = i usf. ein Minimum,
für (p = 1 . ein Maximum. Der Verlauf zwischen diesen Werten ist nicht linear,
sondern etwa parabelförmig. Die Abhängigkeit des Anodenstromes i" von
der
Größe cp kommt dadurch zustande, dal:> über dem Mittelwert der Spannung liegende
Werte wegen des quadratischen Charakters der Kennlinie höhere Anodenstrorn«-erte
liefern als die darunterliegenden Spatiiititigswerte. Bei der Verschiebung Null
sind aber keine größeren und länger andauernden Spannungswerte über dem Mittelwert
vorhanden, während bei cp=t;',, die Spannungswerte üb(: r dem Mittelwert während
der Hälfte der Periode vorhanden sind und daher den Anodenstrom stark erhöhen.
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Damit wird aber die Steuerspannung a, zu-
sätzlich noch von
der Phasenverschiebung abhängig, und die Regelung wirkt wie die vorher für Fig.
i beschriebene. Auch hier hat die Steuerspannung einen Anteil, der von eitierr Gemisch
aus Momentanwert und' Integralwert der beiden Impulsfrequenzen durch deren Vergleich
abgeleitet wird und nur angenäherte Frequenzgleichheit herstellt, und einen zweiten
Anteil., der aus dem Phasenvergleich der beiden Frequenzen abgeleitet wird und v5llige
Frequenzgleichheit erzwingt. Der erste Anteil vergrößert der, kleinen Regelbereich
d.-c-; zweiten Anteils und sorgt für ein selbsttätige Intrittfallen der Regelung.
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Fig.6 unterscheidet sich von der Anordnung nach Fig. 3 nur dadurch,
daß die Diiierenz der Spannungen nicht durch verschiedene Polarität der speisenden
Batterien hergestellt n-ird, sondern durch eine Art Briiclzctiscliai=titi-. Die
vorgegebene Impulsfrequenz wird über die Klemmen 46 und 47 dem Relais 4.8 das mit
seinen Wechselkontakten .lo und 5o den Kondensator 51 umpolt. Dadurch wird der Kondensator
52 aufgeladen, der üb-Ir den einstellbaren Parallelwiderstand 53 wieder entladen
wird, so daß an ihm eine Spannung entsteht, die im Mittel von der Frequenz abhängig
ist. Die von dem nachzusteuernden Generator gelieferte Impulsfruquenz f2 wird über
die Klemmen 5.I und 55 dem Relais 56 zugeführt, das mit seinen Wechselkontakten
57 und 58 den Kondensator 59 umpolt und. damit Ladestromstöße auf den Kondensator
6o mit Parallelwiderstand 61 gibt. An diesem herrscht somit eine Spannurig. die
von der Impulsfrequenz f, abhängig ist. Beide Kreise werden von denselb,-n Stromschienen
gespeist, die mit - und -- liezcichnet sind. Aus den Kondensatoren 52 utid 6e sowie
den mit den Impulsfrequenzen fr und f_ umgeladenen Kondensatoren 51 und 59 ist
eine
Brückenschaltung aufgebaut, in deren Diagonale die Gitterspannung für die Verstärkerröhre
62 als Differenzspannung zwischen den Kondensatoren 52 und 6o abgenommen wird. Die
Verstärkerröhre 62, für die wieder eine quadratische Gitterspannungs-Anodenstrom-Kennlinie
vorausgesetzt wird, hat eine Anodenspannungsquelle 63, eine Gittervorspannungsquelle
64 mit Einstellspannungsteiler 65 und gibt an den Klemmen 66 und 67 die Steuerspannung
u, ab, wobei ein Steuerkreis für den angeschlossenen Impulsgenerator vorausgesetzt
wird, der einen an den inneren Röhrenwiderstand etwaangspaßten Widerstand aufweist.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist ganz ähnlich der von Fig.3. Auch
hier ist die Steuerspannung tas einmal von der Differenz der Spannungen an den Kondensatoren
52 und 6o, -damit also von den Strömen der umgepolten Kondensatoren 5 i und 59 und
damit angenähert von den beiden Impulsfrequenzen f, und f 2 nach deren Augenblickswert
und Integralwert in einstellbarer Mischung abhängig, andererseits aber ergibt sich
wegen der quadratischen Kennlinie der Verstärkerröhre 62 wieder eine zusätzliche
Abhängigkeit von der Phasenverschiebung der Impulse gegeneinander, wie sie in Fig.5
dargestellt ist. Der Regeleinfluß ist also auch hier aus den beiden erfindungsgemäßen
Anteilen zusammengesetzt.
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Fig. 7- schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Wechselstrom.frequenz
nach einer vorgegebenen ebensolchen nachgesteueit wird. Als Generator hierfür kann
z. B. ein Röhrengenerator verwendet- werden, der in seinem die Frequenz bestimmenden
Schwingkreis einen steuerbaren Blindwiderstand z. B. in Form einer mit Gleichstrom;
vormagnetisierten Drossel enthält. Er ist nicht näher dargestellt, da von ihm nur
vorausgesetzt werden braucht, daß die von ihm erzeugte Frequenz eindeutig von der
Steuerspannung abhängt, z. B. bei steigender Steuerspannung ebenfalls anwächst.
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Die vorgegebene Frequenz/, wird über die Klemmen 68 und 69 an einen
Übertrager gelegt, dessen Primärwicklung 70 ist, während drei Sekundärwicklungen
7 i, 72 und 73 vorhanden sind. Die 71 liefert die Gitterwechselspannung für eine
Verstärkerröhre 74, die in Reilie mit einem Kondensator 75 mit einstellbarem Parallelwiderstand
76 und einem weiteren Kondensator 77 andererseits liegt. Die Sekundärwicklung 7?
liefert die Gitterwechselspannung für eine zweite Röhre 78, die parallel zum Kondensator
77 liegt. Die Gittervorspannungsquellen sind 79 für die Röhre 74 und 8o für die
Röhre-78. Die beiden Sekundärwicklungen 7 i und 72 sind umgekehrt an die Gitter
der Röhren 74 und 78 gelegt, deren Vorspannungen so gewählt sind, daß kein Anodenstrom
fließt, wenn die Gitterwechselspannung im Augenblick Null oder negativ ist. Nur
während ihrer positiven Halbwelle wird die Röhre durchlässig. Wegen des umgekehrten
Gitteranschlusses sind die beiden Röhren 74 und 78 also niemals gleichzeitig, sondern
immer nur abwechselnd im Takte der Frequenz durchlässig. Die beiden Kondensatoren
75 und 77 sind in bezug auf die Größe ihrer Kapazität so gewählt, daß bei Durchlässigkeit
der Röhre 74 der Kondensator 77 sich- fast .auf die volle Spannung der an den Schienen
-;-und - liegenden Gleichstromspeisespannung auflädt, während auf den Kondensator
7 5 nur ein kleiner Bruchteil entfällt. In der nächsten Halbwelle der Wechselspannung
wird die Röhre 74 gesperrt, die Röhre 78 dagegen durchlässig sein, so daß über sie
der Kondensator 77 wieder entladen wird. Dieses Spiel wiederholt sich mit der vorgegebenen
Frequenz, so daß der Kondensator 75 immer mehr Ladestromstöße des Kondensators 77
erhalten wird und- damit seine Spannung dauernd bis zur Grenze der angelegten Spannung
,ansteigen müßte, wenn-,er sich nicht über den Parallelwiderstand 76 entladen könnte.
Die Spannung an ihm wird sich daher auf eine Höhe einstellen, die von der vorgegebenen
Frequenz abhängt. Dabei ist die Schaltung so bemessen gedacht, daß auch jetzt noch
die Spannung nur ein geringer Bruchteil der Speisespannung ist, auch wenn die höchste
vorkommende Frequenz vorgegeben wird.
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Die Schaltung für die von dem nachzusteuernden Generator gelieferte
Frequenz ist ganz .ähnlich. Die mit f 2 bezeichnete Frequenz wird an die Klemmen
8 a und 82 und damit an die Primärwicklung 83 des ütertragers mit seinen drei Sekundärwicklungen
84, 85 und 86 gelegt. Die Wicklung 84 liefert die Gitterwechselspannung für die
Röhre 87, die über den Kondensator 88 mit einstellbarem Parallelwiderstand 89 den
Kondensator 9o auflädt, während ihn die Röhre 9 1 wieder entlädt. Ihre Gitterwechselspannung
rührt von der Sekundärwickhing 85 her. Die Gittervorspannungsquellen sind 92 und
93. Die Spannung am Kondensator 88 hängt in derselben Weise, wie vorher für 7 5
beschrieben, von der Frequenz ab. Die am Kondensator 94 auftretende Differenzspannung
ergibt also einen von dem Vergleich der beiden Frequenzen nach Momentanwert und
Integralwert abhängigen Regeleinfluß, den erfindungsgemäß erforderlichen ersten
Anteil.
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Der zweite Anteil wird über die -Wicklungen 73 und 86 der beiden Übertrager
eingefügt,
die in Reihe geschaltet sind, so daß sich eine phasenabhängige
Summenspannung ergibt, die bei gleicher Amplitude der beiden Spannungen einen Maximalwert
bei der Phasenverschiebung Null, den Minimalivert Null bei der Phasenverschiebung
i8o° hat.
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Die aus den beiden Anteilen bestehende Gesamtspannung dient als Gitterspannung
für die Verstärkerröhre 95, deren Anodenspannungsquelle 96 und deren Gittervorspannungsquelle
97 ist. Die Gittervorspannung kann mit Hilfe des Spannungsteilers 98 auf den gewünschten
Wert eingestellt werden. Für die Röhre wird ebenfalls wieder eine quadratische Kennlinie
vorausgesetzt, so daß der an den Klemmen 99 und i oo auftretende Spannungsabfall
am angeschlossenen Steuerkreis des Generators als veränderliche Steuerspannung tts
auch den zweiten in der Gitterspannung als Wechselspannung enthaltenen Anteil zusätzlich
gleichgerichtet aufweist, womit also in der Steuerspannung wieder die beiden !erfindungsgemäßen
Anteile in Form von Gleichstromgrößen vorhanden sind. Die Nachsteuerung des Generators
erfolgt durch sie in der schon früher beschriebenen Weise in bezug auf Regelbereich,
selbsttätiges Intrittfallen und Genauigkeit der Frequenzgleichheit.
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In allen beschriebenen Fällen kommt es bei dem Anteil des Regeleinflusses,
der auf dem Vergleich der Frequenzen gemischt nach dem Momentan- und dem Integralwert
beruht, nicht sehr auf die Genauigkeit des Vergleichs an, da die völlige Übereinstimmung
ja durch den zweiten auf den Phasenvergleich zurückgehenden Anteil gewahrt wird.
Es können daher auch Schaltungen verwendet werden, die mit verhältnismäßig großen
Fehlern behaftet sind-, wie z. B. in Fig. 7 die Kondensatoren 77 und 9o durch die
Röhren weder vollständig geladen noch entladen werden, so -daß die Spannungen an
den Kondensatoren 75 und 88 nicht der Frequenz genau propor= tional sind, sondern
eine andere Abhängigkeit aufweisen. Da aber die Schaltungen für die beiden zu vergleichenden
Frequenzen symmetrisch aufgebaut sind, wird diese nichtlineare Abhängigkeit belanglos.
Die durch die verschiedenen Röhreneigenschaften noch verbleibenden Ungleichheiten
werden durch die nachgeordnete Phasenregelung ausgeglichen.
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An den Ausführungsbeispielen ist ferner zu ersehen, daß die Mischung
der beiden erfindungsgemäßen Anteile in der Steuerspannung für die Nachregelung
der Frequenz des zu beeinflussenden Generators in beliebiger Weise erfolgen kann,
indem entweder im einen Extremfalle beide Anteile völlig getrennt erzeugt und auch
getrennt auf die Steuerung gegeben werden können oder indem im anderen Estremfalle
beide von vornherein gemeinsam erzeugt und verwendet werden oder indem schließlich
jede beliebige Zwischenstufe zwischen diesen beiden Extremen verwendet wird, indem
die beiden Anteile bei der Bildung oder Verstärkung gemischt werden.
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Auch die Mischung des Einflusses von Momentanwert und Integralwert
beim Vergleich der beiden Frequenzen für den ersten erfindungsgemäßen Anteil kann
in beliebiger Weise erfolgen, indem beide unabhängig voneinander oder gleich gemeinsam
erfaßt werden. Die Ausführungsbeispiele zeigen, daß es Schaltungen gibt, die eine
solche Mischung in der denkbar einfachsten Weise vornehmen und sogar eine Einstellung
des zweckmäßigsten Mischungsverhältnisses gestatten.
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Überhaupt sind die Beispiele so gewählt, daß sie einerseits die grundsätzliche
Wirkungsweise in möglichst verständlicher Form zeigen sollen, andererseits aber
auch zeigen sollen, daß die Schaltungen durch geschickte Kombination und Mehrfachausnutzung
der Schaltungsteile einfach werden und im Aufivand keine großen Ansprüche stellen.
Es muß aber betont werden, daß es sich um Beispiele handelt, deren Reihe noch um
viele andere vergrößert werden könnte.
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Natürlich wird am Erfindungsgedanken nichts geändert, wenn noch weitere
Zusätze gemacht werden, die der Regelung noch die eine oder andere erwünschte Eigenschaft
geben sollen. So kann es z. B. zweckmäßig sein, dafür zu sorgen, daß die zusätzliche
Regelung durch den Phasenvergleich immer in der Mitte ihres Bereiches arbeitet,
damit sie jederzeit in der Lage ist, plötzlich auftretende Veränderungen nach jeder
Richtung schnell herauszuregeln, ohne daß auch nur eine vorübergehende Überschreitung
ihres Regelbereichs stattfindet. Diese würde zwar durch den ersten erfindungsgemäßen
Anteil erfaßt werden, aber die Genauigkeit der Regelung würde vorübergehend doch
gestört sein. Eine solche Maßnahme kann in der einfachsten Weise z. B. durch eine
selbsttätige Einstellung der Gittervorspannung einer Röhre durchgeführt werden.
Wenn man z. B. in Fig. 7 statt der Gittervorspannungsquelle 9,` mit Einstellglied
98 die Gittervorspannung durch Gleichrichtung der Summenspannung der Wicklungen
73 und 86 gewinnen würde, so wäre die gewünschte Wirkung angenähert gewährleistet.
Doch könnte dieselbe Art der Regelung auch durch andere Schaltungen in noch vollkommenerer
Weise erzielt «erden.