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Selbsttätige Einrichtung zur Regelung beliebiger technisch-physikalischer
Größen mit großer Regelgeschwindigkeit Gegenstand der Erfindung ist eine selbsttätige
Einrichtung zur Regelung beliebiger technischphysikalischer Größen, die es erlaubt,
bei Regelvorgängen große Regelgeschwindigkeit anzuwenden und trotzdem eine gute
Dämpfung zu erreichen. Nach der Erfindung wird hierzu bei Abweichungen der Regelgröße
vom Sollwert in an sich bekannter Weise zunächst ein Stellmotor eingeschaltet, der
allmählich eine Änderung der Steuergröße im Sinne der zu behebenden Abweichung bewirkt.
In neuer Weise wird hierbei der Verlauf der Regelgröße so überwacht, daß in dem
Augenblick, in dem der zeitliche Differentialquotient der Regelgröße durch Null
geht bzw. ein Extremwert der Regelgröße auftritt, noch zusätzlich eine sprungweise
Änderung der Steuergröße bewirkt wird, und zwar so, daß dadurch gleichfalls eine
Änderung im Sinne der zu behebenden Abweichung entsteht. Der Verlauf der Regelgröße
wird hierbei weiter überwacht, und in dem Augenblick, wo sie ihren Sollwert wieder
erreicht, wird der Steuergrößensprung ebenso plötzlich wieder rückgängig gemacht.
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Hinsichtlich der zu regelnden Systeme unterscheidet man im wesentlichen
zwei Grundtypen.
Bei der einen Type bewirkt eine Störung, daß die
Regelgröße sich ändert und hierbei allmählich einem endlichen Grenzwert zustrebt.
Bei der anderen Type geht bei einer Störung des Systems das Wachsen oder Fallen
der Regelgrößen unbegrenzt oder wenigstens praktisch unbegrenzt vor sich. Ein Beispiel
für die erste Type ist der Spannungsverlauf bei einem Synchrongenerator, wenn dieser
ohne Änderung der Erregung entlastet wird. Die Maschinenspannung erhöht sich dann
allmählich, und zwar immer in geringerem Maße, bis schließlich ein Grenzwert erreicht
wird. Ein Beispiel für die andere Type ist der Fall, daß eine Kolbendampfmaschine
ohne Änderung der Füllung entlastet wird. Hier steigt die Drehzahl praktisch unvermindert
an, bis, etwa durch Zerstörung der Maschine, eine Grenze gesetzt wird.
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Für Systeme der ersten Type kann die Regeleinrichtung der Erfindung
mit besonderem Vorteil in der Form angewendet werden, daß der Sprung in der Steuergröße
so groß gewählt wird wie die Veränderung der Steuergröße, die beim Lauf des Stellmotors
während einer Zeit gleich der Zeitkonstanten des Systems bewirkt wird. In einem
solchen Falle wird zweckmäßiz der Stellmotor so lange in Betrieb gehalten, bis der
Sprung in der Steuergröße wieder rückgängig gemacht wird. Hierdurch wird erreicht,
daß durch diesen Sprung die Regelgröße sofort auf ihrem Sollwert festgehalten wird,
so daß sie ohne weiteren Einschwingvorgang auf diesem Wert verbleibt. Dadurch, daß
im Augenblick der Erreichung des Sollwertes die Neigung der Tangente des Verlaufes
der Regelgröße auf Null gebracht ist, ergibt sich nämlich bei der oben angegebenen
Bemessung die überraschende Wirkung, daß die Sollwertabweichung trägheitslos beseitigt
ist. Im folgenden wird dies rechnerisch an Hand eines in Fig. i dargestellten Diagramms
nachgewiesen.
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i ist der Erregerstrom des Synchrongenerators (ausgezogene Linie),
i, ist der Erregerstrom, der dem Verhältnis von treibender Spannung zu Widerstand
entspricht (strichpunktierte Linie), das ist jener Strom, der fließen würde, wenn
der Kreis frei von Selbstinduktion wäre. t ist die Zeit, wobei als Einheit die magnetische
Zeitkonstante des Systems zugrunde gelegt ist.
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Für den Stromkreis läßt sich dann folgende Gleichung aufstellen:
In dem Diagramm ist der Verlauf von i über t
dargestellt. Hierbei ist
zunächst von einem Zustand ausgegangen, in welchem
ist, wo also i, = i ist (Punkt I). Es sei weiter angenommen, daß i, sich
sprungweise ändert. Außerdem ändert sich, da der Stellmotor, der den Feldrealer
antreibt, läuft, i, proportional mit der Zeit. i, verläuft also, wie in dem Diagramm
gezeigt ist, zunächst von I sprungweise nach oben, dann proportional mit der Zeit
bis zu dem Zeitpunkt II, in dem der Sprung von i,, plötzlich wieder rückgängig gemacht
wird, «-o also i, wieder gleich i wird. Der Verlauf des Stromes im
Bereich I-II wird durch eine Parallele zum Verlauf i, gegeben, entspricht also der
Verbindungslinie I-II. Von II-III fallen i und i s zusammen. Dies
läßt sich an Hand der obengenannten Differentialgleichung des Stromkreises nachweisen.
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Für die Strecke I-II ist i,, - i = konstant, andererseits
Für die Strecke II-III ist i, - i = o, andererseits auch
In der praktischen Auswirkung bedeutet dies, daß die magnetische Trägheit von dem
Augenblick 1 ab unwirksam gemacht ist. Da die Maschinenspannung bei einem bestimmten
Belastungszustand einem bestimmten Erregerstrom entspricht und umgekehrt ein bestimmter
Erregerstrom einem bestimmten Belastungszustand, so ergibt sich, daß in
11 der Regelvorgang ohne Überschwingen beendet ist.
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Wenn bei der praktischen Durchführung die Bemessung der Größen oder
der Zeitpunkt für die einzelnen Vorgänge nicht ganz genau eingehalten wird, so wird
der Einschwingvorgang zwar nicht vollständig vermieden, jedoch ergibt sich auch
eine wesentliche Verbesserung. Es wiederholt sich nämlich unter Wirkung der im Augenblick
der Rückführung des Stromes bestehenden Unterschiede der vorbeschriebene Regelvorgang,
jedoch nunmehr mit wesentlich geringeren Ausschlägen, so daß der Sollwert in sehr
kurzer Zeit erreicht wird.
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Für Systeme der anderen Type, bei der die Änderungen der Regelgröße
praktisch unbegrenzt sind, wird mit besonderem Vorteil die Abbremsung des Stellmotors
bereits in dem Augenblick eingeleitet, in dem der Differentialquotient durch Null
geht, in dem also die sprunghafte Änderung der Steuergröße bewirkt wird.
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Für solche Fälle gibt es keinen ausgesprochenen Bestwert für die Größe
des Sprunges der Steuergröße. Es wird vielmehr in solchen Fällen, da der Einfluß
des Stellmotors wegfällt, die Regelgröße mitpraktisch geradlinigerCharakteristil,
unter dem Einfluß des Steuergrößensprunges in Richtung auf den Sollwert verlaufen,
wobei die Neigung der Charakteristik von der Größe des Steuergrößensprunges abhängig
ist. Wenn der Sollwert erreicht und hierauf der Steuergrößensprung plötzlich wieder
rückgängig gemacht wird, wird auch hier die
Regelgröße ohne Einschwingvorgang
auf diesen Wert wieder festgehalten.
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Als Ausführungsbeispiel der Erfindung sei zunächst der Fall einer
Spannungsregelung bei einem Stromerzeuger zugrunde gelegt. In diesem Falle ist also
die Maschinenspannung die Regelgröße, die einen bestimmten Sollwert einhalten soll.
Der Stellmotor wird durch den Antriebsmotor für den Feldregler verkörpert, der bei
Abweichungen vom Sollwert in Tätigkeit tritt, um durch Änderung der Erregung die
Maschinenspannung wieder auf ihren ursprünglichen Wert zurückzubringen. Dieser Feldregler
bewirkt also eine allmähliche Änderung beispielsweise des Widerstandes im Feldkreis
im Sinne der gewünschten Änderung. Der Sprung der Steuergröße sei hierbei durch
plötzliche Einschaltung eines verhältnismäßig großen Widerstandes bewirkt, der,
wenn die günstigsten Regelbedingungen erreicht werden sollen, so groß bemessen wird
wie die Widerstandsänderung, die der Feldregler während einer Zeit gleich der Zeitkonstante
der Maschine bewirkt.
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In der Zeichnung ist in Fig. 2 ein Schaltschema für eine solche Anordnung
gezeigt. Mit i ist ein Generator bezeichnet, dessen Erregerwicklung 21 mit einem
Feldregler 8 sowie zwei Grobwiderständen 13 und 1q. in Reihe liegt. Die Grobwiderstände
13 und 1q. sind hierbei durch zwei Schütze ii und 12 überbrückt, deren Erregung
über Kontakte 15 und 16 der Schütze 5 und 6 sowie Hilfskontakte 9 und io eines Überwachungsorgans
2 geführt sind. Das Überwachungsorgan erhält einen beweglichen Teil 22, der beispielsweise
unter der Wirkung eines spannungsabhängigen Solenoids 23 und einer Feder 24 in Gleichgewicht
steht und einen Kontakt 25 trägt, der in dieser Gleichgewichtsstellung in einer
solchen Stellung zwischen zwei Steuerkontakten 3 und q. steht, daß er mit keinem
dieser Kontakte in Berührung steht. Beim Auftreten einer Spannungsabweichung wird
nun entweder die Wirkung der Feder oder die des Solenoids überwiegen, so daß der
Teil 22 nach oben oder unten bewegt wird. Hierdurch kommt der Kontakt 25 entweder
mit dem Kontakt 3 oder mit dem Kontakt q. in Berührung und gleitet an diesem entlang,
bis eine Stellung erreicht ist, in der Gleichgewicht zwischen Feder und Solenoidzugkraft
besteht. Bei dieser Bewegung wird außerdem der die Kontakte 3 und q., sowie einen
Zwischenkontakt 26 tragende Teil durch Reibung mitgenommen und dadurch der Zwischenkontakt
26 entweder mit dem Hilfskontakt 9 oder mit dem Hilfskontakt io in Berührung gebracht.
Durch diese 'TNhtnahmeeinrichtung ist hierbei gleichzeitig ein einfaches System
zur Erfassung der Richtungsumkehr der zu überwachenden Größe gegeben. Je nach der
Richtung der Abweichung wird das Schütz 5 oder 6 angezogen, wodurch einerseits der
Feldreglermotor 7 an Spannung gelegt wird, so daß der Feldregler 8 in Richtung der
Abweichung verstellt wird, Gleichzeitig wird an einer besonderen Kontaktbrücke dieser
Schütze entweder der Kontakt 15 oder 16 geschlossen, so daß der Erregerkreis der
Schütze ii oder 12 über die Hilfskontakte 9 oder io, die mit dem Kontakt 26 in Berührung
kommen, gleichfalls geschlossen wird. Bei einem Ansteigen der Spannung geht der
Teil 2 nach oben, der Feldregler wird entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung einer
Schwächung der Erregung verstellt. Infolge der Berührung der Kontakte 9 und 26 wird
der Erregerkreis des Schützes ii vorbereitet, kann aber nicht geschlossen werden,
da der Kontakt 16 noch offen ist. Sobald die Feldschwächung die Spannung so weit
herabgesetzt hat, bis die Wirkung der Feder 24 wieder die Wirkung des Solenoids
23 überwiegt, also im Augenblich der Richtungsumkehr der Spannungskurve, wird der
Teil 27 von dem Teil 22 nach unten mitgenommen, so daß der Kontakt 26 den Kontakt
io berührt, wodurch das Schütz 12 erregt und dadurch plötzlich der Widerstand 1q.
in den Erregerkreis eingeschaltet wird. Im Zuge der auf den Umkehrpunkt folgenden
Abwärtsbewegung gleitet der Kontakt 25 an dem Kontakt 3, dessen Träger 27 ja durch
den Kontakt festgehalten wird, wieder in entgegengerichtetem Sinne entlang, bis,
in dem Augenblick, in dem die Spannung ihren Sollwert wieder erreicht hat, er von
diesem abläuft. Hierdurch wird das Schütz 5 entregt, dadurch der Feldreglermotor
stillgelegt und außerdem das Schütz 12 wieder geschlossen, der Widerstand 1q. also
sprunghaft wieder ausgeschaltet, wodurch also die plötzliche Aufhebung dieser Widerstandsänderung
erfolgen soll.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die angegebenen
Möglichkeiten beschränkt. So ist es beispielsweise bei der Regelung von elektrischen
Maschinen auch möglich, den Feldregler sowie die Widerstände, die sprunghaft geändert
werden, im Erregerkreis der Erregermaschine anzuordnen, auch können z. B. der Feldregler
im Erregerkreis des Generators, die Sprungwiderstände aber im Erregerkreis der Erregermaschine
oder auch umgekehrt angeordnet werden. Auch können andere als die beschriebenen
Mittel zur Erfassung der Extreme (Umkehrpunkte) der Regelgröße verwendet werden.
Die Regelung kann aber nicht bloß zur Spannungsregelung für elektrische Maschinen,
sondern auch zur Regelung beliebiger anderer Größen verwendet werden. Der Stellmotor
kann in solchen Fällen beispielsweise die Füllung einer Dampfmaschine oder einer
Verbrennungsmaschine verstellen. Es kann auch im Falle einer Temperatur- oder Druckregelung
durch den Stellmotor eine Heizeinrichtung oder
eine Iiompressoranlage
in ähnlicher Weise beeinflußt werden.
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Die vorbeschriebene Regeleinrichtung ist nicht bloß zur Iionstanthaltung
von Werten geeignet, sondern kann sinngemäß auch bei Fahrplan-und Programmsteuerungen
verwendet werden, um den Verlauf einzelner Größen im Sinne des vorgeschriebenen
Programms zu beeinflussen bzw. auf dem jeweils durch das Programm festgelegten Wert
festzuhalten.