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Einrichtung zur Erhöhung der Ansprechgenauigkeit von selbsttätigen
Reglern, die von einer Wechselspannung gesteuert werden Die Ansprechgenauigkeit
von selbsttätigen Reglern ist bekanntlich von der Arbeitsweise und der Bauart des
Reglers abhängig. So können beispielsweise der Kohledruckregler und der Wälzsektorenregler
die geregelte Größe bis auf _E o,5 °/o genau konstant halten, während der Öldruckregler
eine Regelkonstanz von :E 0,3 °/o, bei sorgfältiger Einstellung sogar ± 0,2
°/o erreicht. In den Fällen, wo eine noch weiter gehende Konstanz der geregelten
Größe verlangt wird, z. B. für die Spannungskonstanthaltung in Zählerprüfstationen,
muß ein Röhrenregler verwendet werden, mit dem zwar Genauigkeiten unter ± o,i °/o
erreicht werden, der aber insbesondere bei großer Regelleistung einen erheblichen
apparativen Mehraufwand erfordert, ganz abgesehen davon, daß mit dem Einsatz des
Röhrenreglers im Vergleich zu dem robusten Öldruckregler wesentlich höhere Anforderungen
bezüglich Aufstellung, Bedienung und Wartung gestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung, mit der die Ansprechgenauigkeit
jedes selbsttätigen Reglers, der von einer Wechselspannung gesteuert wird, um ein
Vielfaches erhöht werden kann, so daß auch mit den im Aufbau und in der Anwendung
einfachen Reglern die Ansprechgenauigkeit des Röhrenreglers erreicht wird, was insbesondere
dann von Vorteil ist, wenn vom Regler große Regulierkräfte gefordert werden. Außerdem
bewirkt die Anwendung der Erfindung eine beträchtliche Erhöhung der Reguliergeschwindigkeit
des Reglers.
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Die Erfindung besteht darin, daß eine eisengeschlossene Drosselspule
in Reihe mit der Stromspule des Steuerorgans eines Reglers, in folgendem kurz als
Steuerspule
bezeichnet, an der geregelten Wechselspannung liegt und daß parallel zur Drosselspule
ein auf die Betriebsfrequenz der Wechselspannung abgestimmter Spannungsresonanzkreis
angeschlossen ist, wobei die Drosselspule bei dem auf sie entfallenden Spannungsabfall
stark gesättigt ist. Drosselspule und Steuerspule sind zweckmäßig so aufeinander
abgestimmt, daß der Spannungsabfall an der Steuerspule höchstens etwa 200/, der
Gesamtspannung beträgt. Die Stromaufnahme des auf die Betriebsfrequenz der Wechselspannung
abgestimmten Spannungsresonanzkreises steht erfindungsgemäß in dem nachstehend erläuterten
Verhältnis zur Stromaufnahme der Drosselspule.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung sei an Hand der Abb. i bis 3 näher
erläutert. In Abb. i bedeuten: N ein auf konstante Spannung geregeltes Wechselspannungsnetz,
S die Steuerspule des zugehörigen Reglers, D eine eisengeschlossene Drosselspule,
Lk eine stromunabhängige Induktivität und Ck eine Kapazität. Die Schaltung ist aus
der Abbildung ersichtlich.
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Durch die Reihenschaltung der Steuerspule S mit der gesättigten Drosselspule
D ändert sich, wenn zunächst einmal der Spannungsresonanzkreis mit der Induktivität
Lk und der Kapazität Ck außer Betracht gelassen wird, der durch die Steuerspule
S fließende Steuerstrom J8 in Abhängigkeit von der geregelten Spannung U, des Wechselspannungsnetzes
N nach einer Funktion, wie sie in Abb. 2 aufgetragen ist. Diese Funktion
U, = f (Ja) ergibt sich aus der Magnetisierungskennlinie der gesättigten
Drosselspule Ud = f
(J8), wobei U" die Spannung an der Drosselspule ist, unter
Berücksichtigung des Spannungsabfalles U8 an der Steuerspule S.
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Ändert sich beispielsweise die in Abb. 2 eingetragene Spannung U,.
um den Betrag d U" dann ändert sich der zugehörige Steuerstrom J" um den
Betrag d J, Setzt man
dann gilt für den Ansprechverstärkungsfaktor V der Einrichtung
Während bei dem bisher üblichen Anschluß der Steuerspule an die geregelte Spannung
über einen mehr oder weniger großen Vorwiderstand der Wert V = i ist, läßt sich
bei hoher Sättigung der Drosselspule und einer im Vergleich zur Steuerspulenleistung
großen Drosselspulenleistung ein Ansprechverstärkungsfaktor V = 4 bis 7 erreichen.
Hat beispielsweise der Regler selbst eine Ansprechgenauigkeit von 4- o,5°/0, so
erhöht sich die Ansprechgenauigkeit bei Anwendung der Einrichtung gemäß der Erfindung
mit einem V = 5 auf ± o,i °/o. Außerdem erhöht sich die Reguliergeschwindigkeit
des Reglers beträchtlich, da bei einer bestimmten Änderung der geregelten Spannung
die Änderung des Steuerstromes und damit die Auslenkung des Steuerorgans aus der
Gleichgewichtslage um ein Vielfaches größer ist als beim üblichen Anschluß der Steuerspule.
Beim Einsatz der gesättigten Drosselspule in der beschriebenen Weise wird jedoch
die angegebene Erhöhung der Ansprechgenauigkeit des Reglers nur erreicht, wenn die
Frequenz der geregelten Spannung absolut konstant ist. Der Regler reguliert bekanntlich
das Regelorgan, z. B. einen Drehtransformator, so, daß sein Steuerstrom eine dem
Gleichgewichtszustand des Steuerorgans entsprechende bestimmte Größe behält. Dieser
Steuerstromwert entspricht im vorliegenden Fall einer bestimmten magnetischen Induktion
im Eisen der gesättigten Drosselspule. Die Spannung an der Drosselspule Ud ist aber
nicht nur von der vom Regler konstant gehaltenen Induktion B, sondern auch noch
von deren Frequenz f abhängig nach der allgemeingültigen Beziehung Ud=K-B f, (Il)
wobei K eine von der Bemessung der Drosselspule abhängige Konstante ist.
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Ändert sich beispielsweise die Frequenz der geregelten Spannung um
+ i °/o, dann wird auch die Spannung an der Drosselspule und damit, wenn der verhältnismäßig
kleine Spannungsabfall an der Steuerspule hierbei unberücksichtigt bleibt, die geregelte
Spannung um i °/o größer. Jede Frequenzänderung bewirkt also eine praktisch verhältnisgleiche
Änderung der geregelten Spannung.
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Da aber in den technischen Wechselstromnetzen stets gewisse Frequenzschwankungen
auftreten, muß der durch die Drosselspule verursachte Einfluß von Frequenzänderungen
auf die geregelte Spannung kompensiert werden.
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Soll die geregelte Spannung und damit auch die Spannung an der Drosselspule
unabhängig von den möglichen Frequenzschwankungen konstant bleiben, dann muß sich
die Induktion der Drosselspule gemäß Gleichung (II) umgekehrt proportional der Frequenz
ändern. Die dieser Induktionsänderung entsprechende, verhältnismäßig große Änderung
des Drosselspulenstromes muß durch einen zusätzlich über die Steuerspule fließenden
Strom entsprechender Größe und Richtung bezüglich ihrer Wirkung auf das Steuerorgan
kompensiert werden, d. h. der Steuerstrom soll unabhängig von den durch Frequenzschwankungen
verursachten Änderungen des Drosselspulenstromes gleichbleiben. Der zusätzlich über
die Steuerspule fließende Strom muß sich also bei Frequenzschwankungen um die gleichen
Beträge wie der Drosselspulenstrom, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, ändern. Dieser
Bedingung kommt die Blindstromkomponente eines Spannungsresonanzkreises in Resonanznähe
weitgehend nach.
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Gemäß dieser Überlegung liegt der bereits erwähnte Spannungsresonanzkreis,
wie aus Abb. i ersichtlich ist, parallel zu der gesättigten Drosselspule. Die stromunabhängige
Induktivität Lk und die Kapazität Ck dieses Resonanzkreises sind so aufeinander
abgestimmt, daß ihre Blindwiderstände bei Sollfrequenz der geregelten Spannung gleich
groß sind, so daß die Stromaufnahme nur durch die Ohmschen Verluste des Resonanzkreises
begrenzt wird. Der aus diesem Ohmschen Strom Jk und aus dem Drosselspulenstrom Jd
resultierende Steuerstrom J8 fließt über die
Steuerspule des Reglers.
Die Spannung Ud an der mit dem Resonanzkreis parallel geschalteten Drosselspule
setzt sich mit dem Spannungsabfall U8 an der Steuerspule zur geregelten Spannung
U, zusammen. Das Vektordiagramm für diese Ströme und Spannungen ist aus der Abb.
3 ersichtlich.
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Die Induktivität Lk und die Kapazität Ck sind so bemessen, daß bei
einer Frequenzabweichung von der Sollfrequenz um - i °,'o die kapazitive Blindkomponente
des Resonanzkreisstromes Jk die Vergrößerung des Drosselspulenstromes von Jd auf
Jd' kompensiert, so daß die Zusammensetzung von Jd' und Jk' einen Steuerstrom J"'
ergibt, der genau so groß wie der Steuerstrom J8 bei Sollfrequenz ist. Die vektorielle
Zusammensetzung dieser Ströme ist aus der Abb. 3 ersichtlich.
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In diesem Zusammenhang muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß die
vektorielle Darstellung gemäß der Abb. 3 zwar zur Veranschaulichung der Wechselstromgrößen
und ihrer Zusammensetzung beiträgt, aber im vorliegenden Fall nur in grober Annäherung
die einzelnen Größen wiedergibt, da die Ströme Jd, Ja', J8 uni J,' und die
Spannung U8 infolge der starken Sättigung der Drosselspule D stark verzerrt sind,
während die Ströme jk, Jk' und die Spannung Ud praktisch sinusförmig verlaufen.
So muß beispielsweise die Blindkomponente des Stromes Jk' um etwa 5o0 /" größer
sein als die algebraische Differenz der effektiven Ströme jd' - Jd ergibt,
damit die gewünschte vollkommene Kompensation eintritt. Messungen an einer praktischen
Ausführung der Einrichtung gemäß der Erfindung, wobei der Spannungsresonanzkreis
nach der Beschreibung bemessen war, haben ergeben, daß im Bereich einer Frequenzänderung
von insgesamt 3 °/o die geregelte Spannung sich um höchstens o,i °/o ändert. Dabei
wird trotz der beeinträchtigenden Wirkung des Resonanzkreisstromes Jk auf die Ansprechgenauigkeit
der Einrichtung ein Ansprechverstärkungsfaktor V = 3 bis 5 erreicht.
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Bekanntlich können die Blindwiderstände eines Resonanzkreises durch
Alterung, Temperatur- und Feuchtigkeitseinflüsse ihren Wert verändern. Außerdem
kann es bei länger dauernden Unter- oder Cberschreitungen der Sollfrequenz wünschenswert
sein, zur Verbesserung der Kompensation des Einflusses von Frequenzänderungen den
Resonanzkreis auf die vorhandene Betriebsfrequenz abzustimmen. Es ist daher zweckmäßig,
die Kapazität Ck so mit verschiedenen Kondensatoren zusammenzustellen, daß durch
Zu- oder Abschalten einzelner Kondensatoren jederzeit eine genaue Abstimmung des
Resonanzkreises vorgenommen werden kann. Die Resonanzabstimmung ist dann erreicht,
wenn ein in den Resonanzkreis gelegter Strommesser auf den größtmöglichen Ausschlag
gebracht worden ist. Aus der Abb. 4 ist die Schaltung der gesamten Einrichtung mit
der Abstimmöglichkeit für den Resonanzkreis ersichtlich. Dabei bedeuten Ck o, Ck
1, Ck 2, Ck 3 die Teilkapazitäten, aus denen die erforderliche Gesamtkapazität
Ck zusammengeschaltet wird, T1, T2, T3 die Schalter für die zuschaltbaren Teilkapazitäten
und A einen Strommesser. Die Bedeutung der übrigen Bezeichnungen ist die gleiche
wie bei Abb. i.