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Anordnung zur Erzeugung einer elektrischen Leistung für Regel- und
Meßzwecke In der Technik liegt oft die Aufgabe vor, einen Meßwert mit einem Sollwert
zu vergleichen. Dies kommt vor, wenn beispielsweise eine Spannung servomotorisch
geregelt werden soll. Hier wäre es am idealsten, wenn man als Spannung, welche man
dem Servomotor zugeführt, eine Spannung erhielte, die gleich der Differenz zwischen
dem vorhandenen Meßwert der Spannung und dem tatsächlichen Sollwert ist. Eine solche
Spannungsdifferenz läßt sich erzielen, wenn eine genau konstante Vergleichsspannung
zur Verfügung steht, was jedoch im allgemeinen nicht der Fall ist. Aus diesen Gründen
arbeiten die meisten Spannungsregler so, daß die Spannung in einem Drehanker ein
Drehmoment erzeugt und, dieses beim Sollwert der Spannung gerade durch ein Federmoment
kompensiert wird. In diesem Fall wirkt die Feder als Vergleichsbasis. Ist infolge
zu hoher Spannung das Drehmoment größer als das Federmoment, dann wird hierdurch
die Verdrehung eines Regelorgans betätigt, durch welches dem Servomotor seine Steuerspannung
zugeführt wird. Der Servomotor regelt so lange, bis die Netzspannung wieder ihren
Sollwert hat. Nachteilig ist, daß
für die Betätigung des Regelorgans,
welches Reibung besitzt, nurein sehrkleiner Momentenüberschuß zur Verfügung steht,
weil der größte Teil des Momentes von der Feder verbraucht wird.
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Bei einer anderen vorgeschlagenen Lösung kommen zwei rotierende Magnetgruppen
zur Anwendung. Hierbei besteht die eine Gruppe aus einem permanenten und die andere
aus einem vom Iststrom durchflossenen Elektromagneten. Beide Gruppen sind mit einer
Achse verbunden und drehen sich. Zwischen den Polen des permanenten und des Elektromagneten
befinden sich zwei in Reihe geschaltete, einander entgegenwirkende Spulen. Ist die
l agnetisierung des permanenten und des Elektromagneten gleich, so entstehen in
den beiden Spulen gleiche elektromotorische Kräfte, die jedoch nicht wirksam werden,
da die Spulen entgegengesetzt geschaltet sind. Überwiegt die Magnetisierung des
Elektromagneten, so wird eine resultierende Spannung auftreten, die für Meß- und
Steuerzwecke ausgenutzt «;-erden kann. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Verwendung
von drehbaren Teilen und die Notwendigkeit eines Antriebsmotors.
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Für die Spannungskonstanthaltung von Generatoren ist außerdem schon
die Verwendung von gesättigten Drosselspulen vorgeschlagen worden, jedoch erzeugen
diese Anordnungen unmittelbar den benötigten Erregerstrom und nicht eine Leistung,
die von der Differenz zwischen Sollwert und Istwert unmittelbar abhängig ist.
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Im Gegensatz zu obigen bekannten Anordnungen wird in vorliegender
Erfindung die Aufgabe gelöst, mit rein ruhenden Mitteln und unter Vermeidung von
gittergesteuerten Entladungsgefäßen eine Spannung bzw. eine Leistung zu schaffen,
welche unmittelbar von der Differenz zwischen dem Soll- und dem Istwert einer Meßgröße
abhängt. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwei gleichstromv ormagnetisierte
Magnetgruppen zurAn-Wendung kommen, wobei jede Gruppe aus zwei magnetischen Kreisen
mit je einer Wechselstromspule besteht und die eine Gruppe vom Sollwert und die
zweite vom Istwert vor- magnetisiert wird.
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Bild i zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens. Es bedeuten
1, 2 und 3 die drei Schenkel des einen und d, 5, 6 die Schenkel eines zweiten Magnetsystems.
Bei dem ersten Magnetsv stem ist beispielsweise der Schenkel 2 aus einem permanenten
Magneten hergestellt, der die Schenkel i und 3 in Richten.- der Pfeile vormagnetisiert.
Auf den Schenkeln i und 3 sitzen die Wicklungen und 8 und auf den Schenkeln a und
6 die Wicklungen g und io. Die Wicklungen sind gemäß Bild i geschaltet und werden
von einer Wechselspannung von R und S aus gespeist. Die Schenkel 4 und 6 werden
durch die Spule i i, die von den Klemmen 12 und 13 eines Gleichstromnetzes über
einen Widerstand i.1 gespeist wird, in der durch die Pfeile gekennzeichneten Richtung
vormagnetisiert und arbeiten in dem nichtlinearen Teil der Kennlinie. Der U-iderstand
1.4 wird so eingestellt, daß beim Sollwert i die Gleichspannung die Magnetisierungen
in den Schenkeln i und 3 und in den Schenkeln. und 6 genau gleich groß sind. Da
dann im linken und im rechten Magnetsystem Symtnetrie herrscht, ist an den Klemmen
LT und t" kein Spannungsunterschied vorhanden. Sollte i jedoch beispielsweise die
Klemmenspannung der Maschine 15 zu hoch sein, so sind beide magnetische Kreise nicht
mehr gleichwertig und die zwischen den Punkten R und S liegende f4`echselspannung
verteilt sich nicht mehr gleichmäßig auf die Spulen 7 und io bz«-. S und g. Vielmehr
wird, da die Spule 7 in einem magnetischen Kreis liegt, der schwächer vormagnetisiert
ist als die Spule io und demgemäß die Sättigungen verschieden sind, von der Spule
7 eine größere Spannung aufgenommen werden als von der Spule io. Nach gleichen flberlegungen
wird die Spule S eine höhere Spannung aufnehmen als die Spule g. Die Folge ist,
daß zwischen den Klemmen L' und l" ein Spannungsunterschied vorhanden ist, welcher
der einen Wicklung 16 eines Z«-eipliasenmotors 18 zugeführt wird, dessen zweite
Wicklung ig konstant erregt ist. Schaltet man vor die Wicklung 16 einen Kondensator
17, dann erhalten die beiden Felder 16 und 19 eine Phasenverschiebung von
annähernd go°. Der Drehsinn des Motors 18 wird so gewählt, daß der Regler 2o, der
im Feldkreis 21 der Gleichstrommaschine 15 eingeschaltet ist. im Sinn einer Spannungssenkung
bewegt wird. Stimmt die Spannung der Maschine 15 wieder mit dem Sollwert überein,
dann erzwingt die Spule i i auf dem Schenkel 5 wieder genau gleiche Vormagnetisierung
wie der permanente Magnet 2 1 und zwischen den Klemmen L- und t' ist kein Spannungsunterschied
mehr vorhanden. so daß das Feld 16 des Motors 18 stromlos ist. der Motor 18 sich
also nicht dreht.
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Durch die beiden magnetischen Gruppen, von denen die eine durch einen
konstanten Sollwert, beim Anwendungsbeispiel durch einen permanenten Magneten, und
die andere durch einen variablen Istwert vormagnetisiert wird, hat man die Möglichkeit,
ohne Meßgerät mit drehbarem Teil dem Regelmotor iS eine richtige Steuerspannung
zuzuführen.
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Die Verwendung der beschriebenen Anordnung beschränkt sich nicht nur
auf Gleichstrom, sondern, falls eine Wechselspannung geregelt Werden soll, Wird
man diese erst durch einen Trockengleichrichter in eine proportionale
Gleichspannung
umwandeln und diese der Spule ii zuführen. Der Wert der einzuregelnden Spannung
kann durch den Widerstand 14 eingestellt werden. Bei schwierigen Regelbedingungen
kann es notwendig werden, zusätzlich Rückführungen anzuwenden, auf die jedoch hier
nicht eingegangen werden soll, weil sie nicht zum Gegenstand der Erfindung gehören.
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Bild 2 zeigt das Beispiel einer Spannungsregelung, bei der überhaupt
keine drehbaren Teile (Motoren) zur Anwendung kommen. Es sind R und S die beiden
Pole eines Wechselstromnetzes und es kommen wieder die Schenkel i, 2, 3 und die
Schenkel 4, 5, 6 zweier Magnetgruppen zur Anwendung. Der Schenkel 2 sei ebenfalls
ein permanenter Magnet. Zur Wechselspiannung R, S, die innerhalb, gewisser Grenzen
schwanken soll, soll eine solche Spannung hinzugefügt werden, daß die an den Klemmen
R', S' vorhandene Spannung möglichst konstant ist. Zu diesem Zweck wird von R und
S ein Gleichrichter 30 gespeist, von dem aus die Spule ii über den Widerstand
14 Strom erhält. Ist die Spannung zwischen R und S richtig, so wird der Widerstand
14 so eingestellt, daß die Spule eine solche Magnetisierung erzeugt, daß zwischen
den Punkten U und V kein Spannungsunterschied besteht, also die Primärwicklung
3 1 eines Transfozmators, stromlos ist und in der Sekundärwicklung 32 keine
zusätzliche elektromotorische Kraft erzeugt. Ist die Spannung zwischen R und S beispielsweise
zu tief, dann wird in ähnlicher Weise, wie bei Bild i erläutert, zwischen U und
V eine Spannung vorhanden sein, welche der Wicklung 31 zugeführt wird, die in der
Wicklung 32 eine sblche Spannung induziert, daß zwischen R' und S' möglichst die
Sollspannung vorhanden ist. Da die zwischen U und V abgegriffene Spannung noch höhere
Harmonische enthält, kann es mitunter zweckmäßig sein, diese in bekannter Weise
durch Siebkreise auszuschalten. Es kann ferner in manchen Fällen zweckmäßig sein,
die Magnetisierung der Spule i i nicht von den Klemmen R und S, sondern von
den Klemmen R' und S' zu speisen.
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Bild 3 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Temperaturmessung. Hier
ist an den Klemmen U und V eine Spannung vorhanden, wenn die Temperatur einer Meßstelle
höher ist als die der Umgebung. Die Gleichstrommagnetisierung des linken und des
rechten Magnetsystems erfolgt durch die Spulen 41 und i i, welche ihre Spannung
von den Klemmen P und N erhalten. In den beiden Stromkreisen sind die beiden Widerstände
42 und 43 eingeschaltet. Bei gleicher Temperatur seien diese gleich. Der Widerstand
43 sei an eine Meßstelle, welche beispielsweise eine höhere Temperatur annehmen
kann, angebracht. Infolge seines Temperatttrkoeffizienten wird der Widerstand 43
erhöht, so daß die Ströme, welche durch die Spulen 41 und I I fließen, jetzt nicht
mehr gleich sind. Als Folge davon tritt jetzt an den Klemmen U und V eine
Spannung auf, die an dem Voltmeter 44 abgelesen werden kann. Dieses Voltmeter kann
entsprechend den Temperaturunferschieden geeicht sein:.Wkinscht man, daß für den
Fall, daß die Temperatur von 43 geringer als die von 42 ist, ebenfalls eindeutige
Meßergebnisse erzielt werden, so empfiehlt es sich, das Instrument 44 als ein wattmetriges
auszubilden, dessen eine Spule an U und V und dessen andere an eine konstante Wechselspannung
gelegt wird. In manchen Fällen wird man an U und V einen Regelmotor anschließen,
der gegebenenfalls vorhandene unerwünschte Temperaturunterschiede ausregeln kann.
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Die Empfindlichkeit der Anordnung nach Bild 3 kann gemäß der Anordnung
nach Bild 4 erheblich vergrößert werden. In Bild 4 sind die Magnetkerne nicht mehr
besonders aufgezeichnet, sondern nur die auf ihnen angeordneten Wicklungen dargestellt.
Auf den gleichen Kernen wie die Spulen 7 und 8 sind die Spulen 45 und 46 aufgebracht.
Die Spulen 47 und 48 sitzen auf denselben Kernen wie die Spulen 9 und io. Da entsprechend
der Größe der eingezeichneten Pfeile die Gleichstrommagnetisierungen in -den Spulen
45 und 46 stärker sind als in den Spulen 47 und 48, sind die in den Spulen 45 und
46 erzeugten elektromotorischen Kräfte kleiner als die in den Spulen 47 und 48.
Dadurch wird in dem Gleichrichter 49, der in Reihe mit den Spulen 45 und 46 geschaltet
ist, ein kleinerer Gleichstrom erzeugt als im Gleichrichter 5o, der mit den Spulen
47 und 48 in Reihe liegt. Der kleinere Gleichstrom, der von 49 erzeugt wird, wird
der Spule 6o zugeleitet und der vom Gleichrichter 5o erzeugte Gleichstrom der Spule
61. Die Spulen 6o und 61 liegen auf dem gleichen Kern wie die Steuerspulen i i und
4i. . Da in der Steuerspule 41 nach Voraussetzung ein größerer Steuergleichstrom
vorhanden war als in der Spule i i, werden die durch die Gleichströme veranlaßtenUnsymmetrien
durch die Spulen 6o und 61 weiter verstärkt, so daß von U und h jetzt eine
wesentlich größere Leistung abgenommen werden kann als bei der Anordnung nach Bild
3. Man kann die in Bild 4 geschilderte Schaltung als eine Art Rückkopplungsschaltung
bezeichnen. Selbstverständlich lassen sich auch alle sonst bekannten Rückkopplungsschaltungen
sinngemäß anwenden.
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Bild 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Spulen
7 und 8 und die Spulen 9 und io sind bei dieser Anordnung
unmittelbar
in Reihe geschaltet. Ferner kommt bei dieser Anordnung eine Ausgleichsdrossel zur
Anwendung, die aus den beiden Spulen 51 und 52 und der Sekundärwicklung 53 besteht.
Durch die Spulen 51, 52 wird erreicht, daß der in den Spulen 7 und 8 fließende Strom,
vom Magnetisierungsstrom sei abgesehen, infolge des Amperewindungsgleichgewichtes
annähernd gleich dem in den Sjulen 9 und io fließenden Strom ist. Nimmt man an,
daß die durch die Spule 41 erzeugte Vormagnetisierung stärker ist als die von der
Spule i i erzeugte, so wird in den Spulen 7 und 8 eine geringere Spannung verbraucht
werden als in den Spulen 9 und io. Da jedoch zwischen R und S eine konstante Spannung
liegt, werden die vorhandenen Spannungsunterschiede von dem Stromteiler 51, 52 aufgenommen.
An der Sekundärwicklung dieses Stromteilers kann den Klemmen U und h' ein Meßwert
oder eine Leistung abgenommen werden. Es sei erwähnt, daß man, ohne im Prinzip etwas
zu ändern, den Klemmen U und V auch eine konstante Spannung zuführen und
an den Klemmen R und S die gesteuerte Leistung abnehmen kann.
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Bild 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens.
Bei dieser Anordnung sind die Spulen 7, 8 und 9 und io ebenfalls in Reihe geschaltet,
und jede Spulengruppe speist einen Gleichrichter 49 bzw. 50. In der Spule 41 fließt
nun beispielsweise ein Strom, der sich irgend-,vie ändere. Von einer Maschine soll
ebenfalls ein Strom abgegeben werden, der sich im Verhältnis zu dem durch die Spule
4.1 fließenden Strom ändere. Der Maschinenstrom werde durch die Wicklung i i geleitet.
Die von den Gleichrichtern 49 und 5o gelieferten Gleichströme werden diesmal zu
zwei Gleichstromspulen 54. und 55 geleitet, welche einen zweiten Verstärker betreiben,
der die Wechselstromspulen 56 und 57 bzw. 58 und 59 hat. An den Klemmen
U und V dieses Verstärkers kann die verstärkte Leistung abgenommen werden.
Nimmt man an, daß beispielsweise der durch 41 fließende Strom etwas größer ist als
der durch i i fließende, so wird der Gleichrichter 49 größeren Strom als der Gleichrichter
5o ergeben, und demgemäß wird beim zweiten Verstärker die durch 54. erzeugte Vormagnetisierung
stärker sein als die , von 55. Als Folge davon wird zwischen U I und h eine Spannungsdifferenz
auftreten, die man einem Regelmotor zuführt, der die Maschine so beeinflußt, daß
der Strom in der Spule i i gleich dem Strom in der Spule 51 wird.
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Das Wesentliche an der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß magnetische
Verstärker zur Anwendung kommen, die aus zwei Magnetgruppen bestehen, von denen
die eine durch den Sollwert der einzuhaltenden Größe vormagnetisiert ist, während
die zweite Magnetgruppe vom Istwert vormagnetisiert wird. Bei den beschriebenen
Anwendungsbeispielen hatte jede Magnetgruppe zwei Spulen? und 8 bzw. 9 und io. Es
gibt jedoch auch Verstärkersysteme, bei denen eine 'Magnetgruppe nur eine einzige
Spule hat. Selbstverständlich lassen sich auch auf diese die geschilderten Überlegungen
übertragen.
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Der Vorteil der geschilderten Anordnung besteht darin, daß man ohne
bewegliche Teile W echselstromleistungen erzeugen kann, die bei Gleichheit zwischen
Soll- und Istwert Null sind und bei zunehmender Abweichung ansteigen. Mit den erzeugten
Leistungen kann man beachtliche Steuereffekte erzielen. Die Steuereffekte können
durch Rückkopplungsschaltungen, wie gezeigt, weiter erhöht werden. Man hat ferner
die Möglichkeit, durch Kaskadenschaltungen ebenfalls beachtliche Steuerleistungen
zu erzeugen.