DE753323C - Einrichtung zur Verstaerkung von AEnderungen einer elektrischen Groesse mit Hilfe eines einsenhaltige Induktivitaeten enthaltenden Saettigungsstromkreises - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß· 'bei der Anordnung¹ von Kapazitäten und Induktivitäten mit geschlossenem Eisenkreis Unstabilitätserscheinungen auftreten, welche auf die magnetische Sättigung· des Eisenis zurückzuführen sind. Diese Erscheinungen sind streng von den Resonanzerseheinungen zu trennen, die dann auftreten, wenn die Induktivität einen im Luft verlaufenden magnetischen Kreis besitzt. Bei Anordnung von eisenhaltigen Induktivitäten! verläuft bei anwachsender Spannung bei konstanter Frequenz, der Strom nur bis zu-einem gewissien Wert mit der Spannung proportional. Von diesem Wert steigt er plötzlich sprunghaft an. In ähnlicher Weise fällt auch der Strom, von einem gewissen Spannungswert sprunghaft ab, während er oberhalb und unterhalb linear mit der Spannung verläuft. Derjenige Spannungswert, bei dem ein plötzliches Ansteigen des Stromes, auftritt, sei im ■folgenden als Resonanzspannung, derjenige Wert, bei dem ein sprunghaftes! Abfallen auftritt, als Dissonanzispannunig bezeichnet.

Die Resonanzspannung hängt bei Stromkreisen mit eisenhaltigen Induktivitäten aber as auch von der Frequenz ab, und zwar wächst die Resonanzspannung ungefähr um i%>, wenn die Frequenz um 1 % zunimmt. Diese lineare

Beziehung gilt für einen ziemlich großen Bereich von Frequenzscbwankungen. Weiterhin ist auch die Resonanzspannung abhängig von der Kurvenform der aufgedrückten Spannung, und zwar derart, daß mit der Zunahme von harmonischen Oberschwinguingen die Resonanz- und die Dissonanzspannunig wächst. Diese mehrfache Abhängigkeit der Resonanzspannung hat bisher die Anwendung von ίο Stromkreisen mit nichtlinearer Stromspannungscharakteristik erschwert.

Die Erfindung sucht nun diese Nachteile dadurch zu beseitigen, daß für die Überwachung einer Spannung der Einfluß von Änderungen der Frequenz und gegebenenfalls auch der Kurvenform durch Anschließen des Sättigungsstromkreises an einen Widerstandsteil eines nichteisenhaltige Impedanzen und Ohmsehe Widerstände enthaltenden Zwischenkreises kompensiert wird. Wenn es sich also darum, handelt, die Höhe eimer Spannung zu überwachen, dann werden nach der Erfindung Widerstandsikreise zur Kompensation der Schwankungen in der Frequenz und Änderunigen in der Kurvenform vorgesehen. Bei Einrichtungen, welche Widerstandsänderungen, d. h. den Spannungsabfall von Widerständen, überwachen, dienen die Kompensationseinrichtungen dazu, außer den Schwankungen in der Frequenz und Kurvenform auch die Schwankungen in der Höhe der Spannung der speisenden Maschine auszuschalten.

In Abb. ι ist eine der bekannten¹ Stromkreise mit nichtlinearer Stromspannungscharakeristik dargestellt, in Abb. 2 ein Dia- j gramm des Stromes in Abhängigkeit von der Spannung für verschiedene Frequenzen. Mit 10 ist in Abb. 1 eine Wechselstromquelle bezeichnet, welche den aus einem Widerstand 11, einer Kapazität 12 und einer Induktivität 13 -mit vorzugsweise geschlossenem Eisenkreis gebildeten Stromkreis speist. Bei einer bestimmten Frequenz Z₁ besitzt dann die Resonanzspannung den Wert a_v die Dissonanzspannunig den W^rert C₁'. Für die Frequenzen /2· /3' /4 ändern sich diese Werte zu %, %, a₄ bzw. ο«', ß₃', (X₄'. Die Frequenzen liegen dabei zwischen 35,2 und 61 Hertz. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Frequenzabhängigkeit vermindert oder beseitigt werfen kann, wenn eine Spannung, welche sich linear mit der Frequenz ändert, zur Speisungeines Zwischen-· kreises vorgesehen wird, der seinerseits zur Speisung des: niohtlinearen Stromkreises dient. Wenn die den beiden Stromkreisen aufgedrückte Frequenz zunimmt, dann nimmt auch die Spannung an dem Widerstandsteil, der zur Speisung des nichtlinearen Stromkreises dient, in einem solchen Maße zu, daß der Strom in dem nichtlinearen Stromkreis bestrebt ist, konstant zu bleiben. Weitere Versuche ergaben aber, daß dennoch die Kurvenform von Einfluß bleibt auf die Arbeitsweise der Einrichtungen insofern, als Änderungen in den Oberwellen: die Resonanz- und Dissonanzspannungen verändern. Wenn also derartige Oberwellen aufzutreten drohen, ist es erforderlich, noch zusätzliche Einriebtunigen zur Kompensation dieser Oberwellen vorzusehen.

In Abb. 3 ist ein Ausführungsbei spiel gezeigt, welches gleichzeitig eine Frequenzkompensation darstellt und auch zur Verminderung des Einflusses der Kurvenform dient. Der Kompensationskreis besteht aus einer nicht eisenhaltigen. Induktivität 14, einem Widerstand 15, welche in Serie an eine Stromquelle 10 geschaltet sind. Der nichtlineare Stromkreis besteht also¹ wie bei Abb. 1 aus einem Widerstand 11, einer Kapazität 12 und einer Sättigungsdrossel 13 und ist parallel zur Induktivität 14 des Kompensationskreises geschaltet.

Die Spannung an der Induktivität 14 ist

durch den Ausdruck—===^ gegeben. Es

ist zu ersehen, daß der Spannungsabfall an der Induktivität in der Hauptsache linear mit der Frequenz wächst, wenn der Wert R² groß ist im, Vergleich zu dem Wert (ω L)². Infolgedessen ist es, ein notwendiges Erfordernis, daß der Spannungsabfall an der Induktivität klein ist im Vergleich zum Spannungsabfall am Widerstand. Es ist gleichzeitig einzusehen, daß in diesem Stromkreis der Einfluß der höheren: Harmonischen in der aufgedrückten Spannung vermindert wird, da diese höheren Harmonischen infolge dies induktiven Widerstandes: im Verhältnis zu ihrer Frequenz vermindert werden. Der Stromkreis dient also gleichermaßen zur Frequenzkompensation und zur Verminderung des Einflusses der Kurvenform.

In Abb. 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt mit einem Kompensationskreis, der aus einer Kapazität 16 und einem Widerstand 17 besteht, die beide in Serie an die Stromquelle 10 angeschlossen sind. Der nichtlineare Stromkreis, der, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 1, aus¹ der Serienschalturag eines Widerstandes 11, einer Kapazität 12 und der eisenhaltigen Induktivität 13 besteht, ist parallel zu, dem Widerstand 17 geschaltet. Die Spannung an diesem Widerstand ist durch

τ? /** den Ausdruck gegeben: ——₌^_=: . Es

ist einzusehen, daß für einen im Verhältnis zu

T?² großen Wert

der Spannungsabfall

am Widerstand linear mit der Frequenz wächst, wenn die aufgedrückte Spannung konstant bleibt. Infolgedessen) ist es erforderlich, daß der Spannungsabfall an der Kapazitat groß ist im Verhältnis zum. Spannungsabfall am Widerstand. Gute Resultate wurden für einen kapazitiven Widerstand erzielt, der viermal so groß war wie der Obmsche Widerstand. Für ein größeres Widerstandsverhältnis ίο wurden keine wesentlichen Verbesserunigen erzielt. Der Einfluß der Frequemzkompensation wurde jedoch vermindert, wenn das Widenstandsverhältnis kleiner als 3 : 1 gewählt wurde. Die mit einem Widerstandsverhältnis 4 : 1 erzielten Messungen sind im dem Diagramm.' der Abb. 5 niedergelegt. Es ist zu seihen, daß die Resonanzspannung sieb nur sehr wenig mit -der Frequenz ändert. Es wurde beobachtet, daß einei Änderung von 1% in der Frequenz, eine Änderung in der Resonanzspannung von nur 0,08%· hervorgeruieni hat. Infolgedessen' ist der Zwischenkreis geeignet, den Einfluß der Frequenz auf den zwölftem Teil zu vermindern umdl damit die Einrichtung praktisch unabhängig von Frequenzschwanfeungeru zu machen.

Wenn aber in der speisenden Spannung höhere Harmonische vorhanden· sind, dann treten diese beim Spannungsabfall· am Wi der stand sehr stank in Erscheinung. Dies kommt daher, daß jede Oberwelle im Verhältnis· zu ihrer Frequenz vergrößert wird infolge der relativ hohem Kapazität und des zur Frequenzkompensation gewählten Widerstandswertes. Infolgedessen, ist der Einfluß von • Änderungen im der Wellenform bei dem Kompensationskreis des Ausführungsbeispiels.4 vergrößert, so· daß dieser unigeeignet ist, wenn die aufgedrückte Spannung starke Abweichungen von der Sinusform aufweist.

In Abflb'. 6 enthält der Kompenisationskreis drei Widerstandselemente, nämlich eine Induktivität 18, eine Kapazität 19, einen, festen Ohmschen Widerstand 20 und einen veränder-Hohen Ohmschen Widerstand 21, die sämtlich in Serie an die Stromquelle 10 geschaltet sind. Ein nichtlinearer Stromkreis· entsprechend der Abb. i, der eine eisenhaltige Induktivität 22, eine Kapazität 23, einem festen Widerstand 24 und einen veränderlichen Widerstand 25 enthält, ist parallel zui den Widerständen 20 und 21 deis 'Frequenrzkompemsationskreises geschaltet. Ein Relais 26 ist parallel zur Kapazität 23 gelegt. Es spricht an, wenn der Spannungsabfall an der Kapazität einen gewissem Wert überschreitet. Mit dem Kompensationskreis, der aus Impedanzen mit linearer Charakteristik 'besteht, ist es möglich, einem Spannungsabfall an dem Widerständen 20, 21 zu erzielen, bei dem prozentuale Änderungen in dem Spannungsiwert vom größerem Einfluß sind als prozentuale Änderungen der Frequenz. Das Vorzeichen der Spannungsänderung in Abhängigkeit von der Frequenzänderung hängt von der relativem Größe dex Induktivität 18 und der Kapazität 19 ab. Die Änderung der Spannung mit der Frequenz wird von der relativen Größe der Induktivität 18, der Kapazität 19 und der Widerstände 20, 21 beeinflußt. Der größte Kompemsationseffekt wird erreicht, wenn die Konstantem des Frequenzkompensatiomskreises; so gewählt sind, daß' die sprunghafte Änderung des Stromes in Abhängigkeit von der Frequenz in dem Kompensationskreis bei normaler Frequemz liegt. Es ist weiterhin erforderlich, daß die Frequenzstromkurve eine positive Neigung im diesem Punkt besitzt. Innerhalb eines gewissen Bereichs, oberhalb oder unterhalb der normalen Frequenz, wird dann der Strom in dem Frequenzkompensationskreis linear ^: sich ändern. Jenseits dieses^: Gebietes, entweder unterhalb oder oberhalb der normalen Frequenz, wird die Stromänderung mit der Frequenz von dem maximalen Wert abnehmen. Die günstigste Arbeitsweise läßt sich, wie Versuche ergaben, erreichen, wenn die Kapazität und die Induktivität des Frequemzkompemsationskreises so eingestellt werden, daß die sprunghafte Änderung der Stromfrequemzkurve bei normaler Frequenz auftritt und die Resonanzlage sich etwas oberhalb, ungefähr zwischen 55 und 80 Perioden, befindet. Für den Spannungswert, bei dem das Relais 26 ansprechen soll, muß der Widerstand 21 so eingestellt werden, daß der Spannungsabfall an dem Gesamtwiderstand genügend ist, um. den nichtlinearen Stromkreisi im Resonanz zui bringen. Sind die Konstantem des Frequenzkompensationskreises für richtige Kompensation eingestellt, danin hat die Zu- oder Abnahme der Frequenz eine Zu- oder Abnahme des Spannungsabfalls an den Widerständen 20 und 21 zur Folge. Diese Zu- oder Abnahme des· Spannungsabfalls entspricht der Zu- oder Abnahme der Resonanzspannung für die nämliche Frequenzänderung, so daß für eine gegebene aufgedrückte Spannung im dem Frequemzkompensatiomskreis das. Relais bei dieser Spannung ansprechen wird während eines Bereichs von Frequenzänderungen, der sich über mehrere Hertz erstreckt. Eine ähnliche' Konstanz und eim ähnliches Abfallen des/ Relaisankers ist mit dem Eintritt der Dissonanzspannung verbumden, die sieb ebenso- ändert, wenn der Strom und die Frequenz in dem Kompensationskreis sich ändern.

Mit dem Frequenzkompensationskreis der AM>. 6 ist es möglich, den niohtlinearen Stromkreis über ein Element oder über eine Kompensation von zwei Elementen amzu-

schließen. Es wurde beobachtet, daß in beiden Fällen die»sprunghaf te Änderung der Frequenzstromkurve dicht bei der normalen Kurve der aufgedrückten Spannung auftritt. Wenn die aufgedrückte Spannung höhere Harmonischen enthält und wenn die Spannung an dem Widerstand eine Skmsform ti at, dann müssen die Spannungen an der Induktivität und der Kapazität einen Betrag an höheren Harmonischen besitzen, der größer ist als der der aufgedrückten Spannung, da in jedem Moment sämtliche Spannungen! in dem Stromkreis gleich, der aufgedrückten Spannung sein müssen. Da bei der bevorzugt gewählten Schaltung des niobtlinearen Stromkreises die Spanmung-sabnahme am Widerstand erfolgt, ist der Einfluß der Kurvenform vermindert.

In Abb. 7 ist ein anderes Ausfuhrungsbeispiel gezeigt, bei welchem ein Resonanz-Stromkreis zur Frequenizkompensation verwendet wird. Dieser Resonanzstromkreis· enthält einen Widerstand 27 in Serie mit einer Kapazität 28, die beide parallel· zu einem Widerstand 29 in Serie mit einer Induktivität 30 liegen, und an die Stromquelle 10 angeschlossen sind. Der nichtlineare Stromkreis enthält einen Widerstand 11, eine Kapazität 12 und- eine Eisendrossel 13 und ist parallel zur Induktivität 30 geschaltet, um den Einfluß von Änderungen in der Kurvenform zu beseitigen.

In Abb. 8 ist eine Anordnung der Schaltung nach Abb. 7 dargestellt, bei welcher ein Widerstand 31 im Serie zu. dem Resonanzkreis , 35 geschaltet ist, um eine Abweichung in der Proportionalität von der Änderung der Spannung in dem nichtlinearen Stromkreis gegenüber Änderungen der Frequenz zu erzielen für solche Fälle, in denen eine Über- oder Unterkompensation für Frequenzschwankungen ■erwünscht ist. In diesem Falle ist es zweckmäßig, den nichtlinearen Stromkreis an: den Widerstand 27 anzuschließen, welcher in Serie zur Kapazität 28 liegt, um den Einfluß der Änderungen in der Wellenform zu kompensieren.

Im Abb. 9 ist ein Ausführun'gsbeispiel der Erfindung gezeigt für eine Anordnung, bei der der nichtlineare Stromkreis von dem Spannungsabfall eines Widerstandes beeinflußt wird, dessen Größe überwacht werden soll. Die Anordnung kann dazu dienen, um die Temperatur eines Raumes zu überwachen, welche sich durch Änderung eines' Wider-Standes ausdrückt. Zu diesem Zweck ist der nichtlineare Stromkreis 11, 12, 13 parallel zu einem Widerstand 24 geschaltet, dessen Größe überwacht werden soll. Der Widerstand 24 liegt nun an einer Stromquelle 10 über eine Sättigungsdrossel 20 und über einen Parallelkreis, der aus einer Sättigungsdrossel 21, einem Widerstand 22 und einer Kapazität 23 besteht. Die Widerstände 20 bis 23 dienen dazu, eine konstante Wellenform für den Spannungsabfall 24 zu erzeugen. Dieser Spannungsabfall ist dann nur eine Funktion der Größe des Widerstandes und unabhängig von Änderungen in der Spannung der Stromquelle 10.

In Abb. 10 ist die Stromwiderstandscharakteristik der Anordnung nach Abb. 9 gezeigt. Der Strom in dem nichtlinearen Stromkreis, ändert sich in Abhängigkeit von dem Widerstand 24 derart, daß Bruchteile von prozentualen Widerstandsänderungen eine Stromänderung von etwa 30% herlx'iführen.

In Abb. 11 ist eine noch empfindlichere Anordnung gezeigt. Bei dieser ist eine Brückenanordnung vorgesehen, welche aus den beiden Zweigen 48 und 49 besteht, die parallel an die Spannungsquelle 10 geschaltet sind. Ein Zweig 48 enthält einen Widerstand. 40, der in Serie liegt zu einem aus dem Widerstand 41, der Induktivität 42 und der Kapazität 43 bestehenden Parallelkreis. In entsprechender Weise besteht der Zweig 49 aus einem Widerstand 44 und einer Parallelschaltung aus einem Widerstand 45, einer Induktivität 46 und einer Kapazität 47. An den Verbin dungspunkten 48 des Brückenkreises sind Leitungen vorgesehen, welche die Spannung E₀ an den Kais 50 abzunehmen gestatten. Wenn die Induktivitäten 42 und 46 eine Sättigungscharakteristik besitzen, dann bleibt der Strom durch den Serienparallelkreis konstant, d. h. der Strom durch die Widerstände 40 und 44 ist unabhängig von Schwankungen in der aufgedrückten Spannung.

In Abb. 12 sind Charakteristiken der Spannung E₀ in Abhängigkeit von dem Widerstand in einem Zweig der Brücke aufgetragen, und zwar für verschiedene Werte der aufgedrückten Spannung E= 100, £=no und £=120. Es ist zu sehen, daß für Änderungen des Widerstandes 44, z.B. innerhalb gegebener Grenzen, die Spannung E₀ unabhängig ist von Schwankungen in der aufgedrückten Spannung. Bei den aufgenommenen Kurven wurde festgestellt, daß für Änderungen des Widerstandes 44 von 150 und 180 Ohm die Kurven für die drei verschiedenen Spannungswerte zusammenfallen.

In Abb. 13 ist in Kurve d der Strom im Widerstand 44 als Funktion des Wider-Standes! aufgetragen. Es ist zu sehen, daß Änderungen in dem Widerstand 44 einen vernachlässigbaren Einfluß auf den Strom haben. In Kurve e ist der Strom im Wider- « standi44 als Funktion der aufgedrückten Spannung dargestellt. Auch in diesem Falle ist der Strom praktisch unabhängig von

Änderungen in der aufgedrückten Spannung. Bei Änderungen des- Widerstandes 44 ändert sich also nur die Spannung B₀, während der

* Strom im Stromkreis konstant bleibt.
Bei sämtlichen Anordnungen ist es vorteilhaft, die- verwendete Kapazität 12 nicht unmittelbar, sondern über einen Trans form ator in den niohtlinearen Stromkreis einzufügen, damit die Kapazität für eine hohe Spannung ausgelegt werden kann. In diesem Falle ist sie nämlich bei gleicher Blindleistung viel weniger kostspielig als· für eine niedrigere Spannung.

In Abb. 14 ist zu diesem Zweck ein Transfortnator 55 vorgesehen, welcher gleichzeitig als Drossel mit Eisenkreis wirkt und an Stelle der Drossel 13 der Abb. 1 bis 9 treten kann. Die Kapazität 12 ist im Sekundärkreis dieses Transformators angeordnet, und zwar in Serie mit einem einstellbaren Widerstand 57. Parallel zur Kapazität 12 ist ein Relais geschaltet, das beim. Eintritt einer sprunghaften Stromänderung anspricht.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung¹ zur Verstärkung von Änderungen einer elektrischen Größe mit Hilfe eines eisenhaltige Induktivitäten enthaltenden Sättigungsstromkreises von derartiger Bemessung, daß die Sättigung im Bereich des Ansprechwertes eintritt und eine sprunghafte Stromänderung herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß für die Überwachung einer Spannung der Einfluß von Änderungen der Frequenz und gegebenenfalls auch der Kiurvenform durch Anschließen des Sättigungsstromkreises an einen Widerstandsteil eines nichteisenhaltige Impedanzen und Ohmsehe Widerstände enthaltendem Zwisehenkreises kompensiert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkreis aus einer Induktivität und einem im Vergleich zu dieser hohen Ohmschen Widerstand besteht und daß der Sättigungskreis parallel; zur Induktivität geschältet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenkreis aius einem kapazitiven Widerstand und einem im Vergleich mit diesem hohen Ohmschen Widerstand besteht, an den der Sättigungskreis angeschlossen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch- gekennzeichnet, daß der Zwischenkreis, aus einer Kapazität, Induktivität und einem Ohmschen Widerstand besteht, an den. der Sättigungskreis angeschlossen ist, und daß die Kapazität und Induktivität so gegenseitig abgestimmt sind* daß bei normaler Frequenz die Stromfrequenzkurve .eine steile Änderung aufweist und ihre Resonanzlage ein wenig oberhalb der normalen Frequenz besitzt.

5. Einrichtung zur Verstärkung von Änderungen einer elektrischen Größe mit Hilfe eines eisenhaltige Induktivitäten enthaltenden Sättigungsstromkreises: von derartiger Bemessung, daß die Sättigung im Bereich des Ansprechwertes eintritt und eine sprunghafte Stromänderung herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß für den Nachweis! geringer Widerstands- ■ änderungen der Einfluß von Schwankungen in der Höhe und der Form der speisenden Spannung durch die Vorschaltung eines mit einer Kapazität parallel liegenden Ohmschen Widerstandes und einer in Reihe dazu liegenden eisenhaltigen Induktivität kompensiert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Kapazität über einen Transformator eingefügt ist, der die Spannung an der Kapazität erhöht.

Zur Abgrenzung des Erfmdungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Deutsche Patentschriften Nr. 485 724,

183103, 360335, 347027;
österreichische Patentschrift Nr. 116643;
Revue generate de l'Electricite, Bd. 25, 1929, S. 315 bis 322.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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