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Verfahren zur Übertragung von Gleichstromgrößen Wenn es sich darum
handelt, zum.. Zweck -der Fernmessung bzw. Regelung Gleichstromgrößen, insbesondere
Gleichstromimpulse verschiedener Intensität und verschiedener Polarität, über Leitungen
mit zwischengeschalteten. Übertragern und/oder zwischengeschalteten Verstärkern
zu- übertragen, ist es notwendig; die Gleichstromgrößen in einen Wechselstrom umzuformen.
Dabei kann die Frequenz oder die Amplitude oder die Phasenlage gegenüber einer Bezugsspannung
zur Kennzeichnung der verschiedenen Gleichstromwerte dienen. Es ist also eine Steuereinrichtung
für den Übertragungswechselstrom notwendig, die imstande ist, den Wechselstrom entsprechend
dem zu übertragenden Gleichstrom nach einem der vorgenannten Merkmale zu steuern
bzw. zu modulieren. Außerdem wird eine Anzeige- oder Empfangseinrichtung benötigt,
die in der Lage ist, aus den Wechselstromwerten den Ausgangsgleichstrom wiederherzustellen.
Dabei muß es :sich also um eine Art Demodulator 'handeln. Die Wahl des zu steuernden
Merkmals richtet sich nach .den Forderungen hinsichtlich der Genauigkeit, die im
Einrzelfall gestelk werden. Phase, und Amplitude z.. B. sind Fremdeinflüssen, wie
etwa durch die Leitungseigenschaften, leicht zugänglich, während die Frequenz lediglich
durch den Frequenzgenerator bestimmt wird und .durch die Eigenschaften der Leitung
oder anderer Übertragungseinirichtungen nicht beeinflußt werden kann.
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Zu berücksichtigen ist, daß bei Heranziehung von Amplitude und Phase
eine absolute Proportionalität mit dem Gleichstromwert selbst erreicht werden kann,
d. h. Amplitude und Phase können negativ werden .bzw. ihre Richtung ändern, wenn.
,der zu übertragende Gleichstrom seine Richtung ändert. Dabei wird bemerkt, daß
alis negative Amplitude die eines um z8o° phasenverschobenen
Stromes
bezeichnet werden.kann. Beider Frequentz dagegen ist eine solche Umkehrung nicht
möglich. Die Frequenz kann nur relativ, d. h. um einen festen, von Null verschiedenen
Bezugswert schwanken und je nachdem, ob sie größer oder kleiner ist als der Bezugswert,
negative oder positive Gleichstromwerte anzeigen.
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Bei der Übertragung von Meß- oder Regelimpulsen spielt eine kleine
Änderung ider Pro= portionalität zwischen Gleichstrom- und Wechselstromwerten keine
wesentliche Rolle. Es muß-aber immer die Gewähr bestehen, daß im Fall der Ausregelung,
also bei Verschwinden des Gleichstromes, unter keinen Umständen am Ausgang der Übertragungseinrichtung
durch Fremdeinflüsse ein Regelimpuls vorgetäuscht wird.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren., das den oben dargelegten Anforderungen
entspricht und zur Übertragung von Gleichstromgrößen, insbesondere Gleichstromimpulsen
für Meß- oder Regelzwecke über nicht durchgeschaltete Leitungen dient. Das Verfahren
arbeitet, erfindungsgemäß so, daß die Übertragung mittels eines Wechselstromes erfolgt,
der in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Gleichstromwert so gesteuert wird,
daß bei konstanter Frequenz seine Amplitude proportional dem absoluten Gleichstromwert,
ist und das Vorzeichen -durch um i8o° verschobene Phasenlagen nachgebildet wird.
Ausfüliru.ngsbeispiele für Schaltungen" die nach diesem Verfahren arbeiten, sind
in den, Fig. i, 5 und 7 dargestellt, während. die Diagramme Fig. a bis 4 und 6 zur
Erläuterung dienen. In Fig. r ist mit E eine Gleichspannungsquelle bezeichnet, die
in bestimmter Weise mit einem. Meß- oder Regelwert veränderlich ist. Diese Gleichspannung
wirkt auf einen Modulato-r M, der im wesentlichen aus den beiden Rohren, i, 2. in
Gegentaktschaltung besteht. Ein Wechselstromgenerator 4 erzeugt eine Frequenz fo,
die über einen Wandler 5 dem Modulator zugeführt wird. Dabei sind Widerstände 6,
7 als Spannungsteiler vorgesehen. Die beiden Anodenkreise der Röhren sind zu einem
Ausgangstransformator 8 geführt, an den sich die Fernleitung i i anschließt. Hier
kaum im Bedarfsfall, wie später noch erläutert wird, ein Wechselstromgenerator 9
vorgesehen sein., der eine Spannung doppelter Frequenz 2f, 2f o erzeugt. Diese Spannung.
kann über einen Wandler io auf die Fernleitung gegeben werden. Auf der Empfangsseite
wird die .ankommendeWechselspannung einem Wandler 12 zugeführt, der eine Se'kuntdärwicklung-13
besitzt. Diese bildet zusammen mit Gleichrichtern 14, 15 und Ohmschen Widerständen
eine Gleichrichterbrücke, die mit Wechsels<brom aus der Stromquelle i9 über den
Wandler r8 gespeist und somit vorgespannt wird. Die Frequenz der Stromquelle i9
ist ebenfalls fo. Die Ausgangsklemmen sind mit 16, 17 bezeichnet. Außerdem kann
eine zweite Sekundärwicklung 2o vorhanden, sein,. an die über eine Gleichrichter
schalteng 21 ein Überwachungsrelais 22 angeschlossen ist.
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Die Gleichstromquelle E liefert idenGleichstrom 1. In den Anodenkreisen
der beiden Rohre i und 2 fließen. -die Wechsel@bröme l", 1a2; die Ausgangsspannung
dies Wandlers 8 ist -mit Uä bezeichnet. Die Eingangsspannung des Wandlers 12 auf
der Empfangsseite ist mit lfe und die Ausgangsspannung an den Klemmen 16, 17 mit
U bezeichnet. Dies vorausgesetzt, ist bezüglich ider Wirkungsweise der Anordnung
unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 folgendes zu bemerken: Der
Modülator M erzeugt in Abhängigkeit von dem Gleichstrom leine Wechselspannung, deren.
Amplitude dem Absolubwert des Stromes I entspricht und deren Phasenlage um i8o°
wechselt, je nachdem, ob der Strom I positiv oder negativ ist. Diesem Modulator
wird die Wechselspannung der Frequenz fo von der Stromquelle 4 im Gleichtakt und
eine von dem Gleichstromwert abgeleitete Gleichspannung im Gegentakt zugeführt.
Ist die Gleichspannung gelegentlich Null, so tritt zwischen -den beiden Anoden keine
Wechselspannung in Erscheineng, und im Ausgangstransformator 8 entsteht keine Spannung.
Wird durch eine Gleichspanneng der Arbeitspunkt eines Rohres verschoben, so sind
zwei Fälle zu unterscheiden: i. Wird angenommen, daß der Arbeitspunkt des Rohres
i nach oben, der Arbeitspunkt des anderen Rohres. 2 nach unten verschoben wird,
so heben sich die beiden Ano,denwechselströme im Ausgangstransformator nicht mehr
auf. Vielmehr überwiegt der Anodenwechselstrom des nach oben gesteuerten Rohres
i, so daß am Transformatorausgang eine Wechselspannung auftritt, die der Phasenlage
des Anodenstromes in diesem Rohr entspricht.
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a. Wird. im Gegensatzdazu -der Arbeitspunkt des Rohres 2 nach oben
und der -des Rohres i nach unten verschoben; dann überwiegt der Anodenstrom des
Rohres. 2, und zwar infolge einer entgegengesetzten Poleng der am Gitter liegenden
Gleichspannung.. Dabei folgt die - im Ausgangstransformator auftretende Wechselspannung
in ihrer Phasenlage dem Anodenstrom, des Roh res 2. Diese Verhältnisse sind in dem
Diagramm. Fig.2 dargestellt.
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Es gelingt also., auf diese Weise die Amplitude einer Wechselspannltng
von dem zu übertragenden Gleichstrom so abhängig zu machen, d.aß beim Vorzeichenwechsel
des Gleichstromes die Wechselspannungsanplitude ebenfalls durch Null. geht und .die
Phasenhage sich um i8o° umkehrt. Diese Wechselspannung kann auf beliebige Weise
auch bei nicht durchgeschalteten Leitungen übertragen werden, ohne daß durch Leitungseinflüsse
eine Nullpunktverschiebung eintreten kann.
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Auf der Empfangsseite ist, wie dies bei Fernmessung bzw. Regelung
im Kraftwerksbetrieb fast stets zutrifft, eine Spannung -der gleichenFrequeniz fo
vorhanden, deren Phasenlage so einstellbar sein muß, ,daß sie möglichst mit' der
Phasenlage der ankommenden Frequenz übereinstimmt. Kleine Abweichungen haben keine
wesentliche Bedeutung. Um aus der ankommenden Wechselspannung U, wieder eine Gleichspannung
richtiger Polun.g zu erhalten, wird diese Spannung mit der empfangsseitig vorhandenen
Wechselspannung der Frequenz f o
in der Gleichrichterbrücke oder
mit Hilfe einer Röhrengegentäktschaltung zerhackt, so daß, zeitlich gesehen, immer
die gleichen Halbwellen zur Gleichspannungserzeugung benutzt werden und. demzufolge
die Gleichspannung im Ausgang einmal positiv und einmal negativ wird, je nachdem,
ob die Halbwelle der Eingangsspannung U, im positiven oder negativen Gebiet gelegen
ist. So z. B. ergibt sich für den obener@wähnten Fall i eine wellenförmige ungeglättete
Ausgangsspannung, wie sie in Fig.4dargestellt ist. Sie besteht nur aus -den positiven
Halbwellen der Eingangsspannung U,. Für den obenerwähnten Fall 2 besteht die ungeglättete
Ausgangsspannung auf der Empfangsseite nur aus -den negativen Halbwellen der Eingangsspannung
Ue. Durch die .in der Schaltung angedeuteten Kondensatoren oder sonstigen Glättungsmittel
wird eine hinreichend geebnete Ausgangsspannung U erhalten. Diese beiden Bilder,
die gewissermaßen Grenzwerte darstellen, ändern sich nun mit der Phasenverschiebung,
und zwar ergibt sich bei einerPhasenverschiebung -zwischen der Eingangsspannung
U, und der Vorspannung der Stromquelle ig das in Fig. 4 rechts dargestellte Bild,
wobei die positiven und negativen Halbwellen zu gleichen Teilen. an der Entstehung
der Ausgangsspannung U beteiligt sind. Die Ausgangsspannung ist demzufolge in diesem
Fall Null. Bei anderen Phasenverschiebungen überwiegt mehr oder weniger die positive
oder negative Halbwelle, und demzufolge ergibt sich eine nach der einen oder anderen;Seite
gepolte Ausgangsgleichspannung, die einem Meß- oder Regelgerät zugeführt werden
lzann.
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Um die Leitung gleichzeitig überwachen zu können, ist die Wechselstromquelle
g vorgesehen. Sie erzeugt, wie schon erwähnt, eine Spannung der doppelten Frequenz
.und wird gleichzeitig mit der A -usgangsspannung U, -des Modulators über die Leitung
gegeben. Das Vorhandensein dieser überlagerten Spannung kann mittels des Relais
22 kontrolliert werden. Auf den vorhin beschriebenen Vorgang der Gleichrichtung
auf der- Empifangsseite hat diese überlagerte Spannung keinen Einfiuß, da sie in
der halben Periode der Spannung U, selbst schon eine ganze Periode @durchlaurfen
hat und daher keine Gleichspannungskomponente liefern kann. Stimmen die Phasenlagen
der ankommenden und der empfangsseitig vorhandenen Wechselspannung nicht überein,
so bedeutet dies, daß eine Abnahme der Gleichspannungskomponente bis zu ihrem völligen
Verschwinden bei einer Phasenverschiebung von go° eintritt. Dies bedeutet, daß Phasenabweichungen
in der Größenordnung von io bis 2o° noch kaum eine Rolle spielen. Größere Abweichungen
aber sind während des Betriebes kaum zu erwarten.
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Sollte am Empfangsort die gleiche Frequenz fo wie am Sendeort nicht
vorhanden sein, so kann sie aus der zu Überwachungszwecken überlagerten Wechselspannung
doppelter Frequenz abgeleitet werden, und zwar beispielsweise mit Hilfe folgender
Schaltung: Mit einem Röhrengenerator wird die gewünschte Frequenz erzeugt, derart;
daß durch Veränderung der zum Zweck der Vorspannung auf das Gitter gegebenen Gleichspannung
eine Frequenzänderunig hervorgerufen werden kann,. Durch Vergleich der doppelten
Generatorfrequenz 2f0 mit der ankommenden überlagerten Wechselspannung in einer
geeigneten Gleichrichteranordnung wird eine Gleichspannung gebildet, -die proportional
der Frequenzabweichung schwankt. Mit dieser Gleichspannurig, die zur Vorspannung
dem Gitter des Rührengenerators zugeführt wird; kann -dessen-Arbeitspunkt so eingestellt
werden, daß immer Frequenzgleichheit zwischen Generatorwechselspannung und überlagerter
Spannung besteht. Die vom Generator abgegebene Wechselspannung kann dann ebenso
zur Gewinnung einer richtig polarisierten Gleichspannung aus der ankommenden Wechselspannung
herangezogen werden, wie dies früher bezüglich der synchronen Spannung fo am-Empfangsort
erwähnt wurde.
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Auf diese Weise gelingt es also; Gleichstromwerte mit der richtigen
Polarität über eine einzige, nicht durchgeschaltete Leitung zu übertragen, wobei
nicht unibedingt am Empfangsort eine mit der zur Übertragung benutzten Wechselspannung
synchron verlaufende Spannung vorhanden sein muß.
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Um weiterhin die Modulation der überlagerten Signalspannung und die
Gewinnung der Überwachungsspannung doppelter Frequenz zu verknüpfen, wird folgende
Möglichkeit vorgeschlagen: Eine Doppelröhre 5o (Fig. 5) als Frequenzverdoppler geschaltet
gibt -die Möglichkeit, durch Vorspannurig der Steuergitter mit der zu übertragenden
Gleichstromgröße, die an den Klemmen54, 55 zugeführt wird, im Gegentakt die Grundwelle
der Steuerwechselspannung amplituden- und phasengetreu hervortreten zu- lassen,
wobei gleichzeitig die doppelte Frequenz erhalten wird und auf die Fernleitung i
i gegeben werden 'kann. Aus den Kennlinien zwischen dem Anodenstrom Ja und der Gitterspannung
Ug der beiden Systeme des Doppelrohres ergibt sich bei geeigneter Wahl der Ruhevorspannung
des Gitters eine nahezu quadratische Charakteristik etwa folgenden Zusammenhanges:
.T" = K - U@ Wird Ug. nun in der Form: Ug. =-Ugo, cos cut ausgesteuert,
so ergibt sich ein Stromverlauf von:
Es tritt also nur die doppelte Frequenz im Anodenwech.selstrom auf. Wird durch eine
zusätzliche Gleichspannung der Arbeitspunkt auf der gemeinsamen Kennlinie verschoben,
so erhält man auch die Grundwelle in entsprechender Amplitude und Phasenlage, wie
durch Einsetzen von Ug = ± U,1 -I- U9.0 - cos (i) t in Gleichung (i) ersichtlich:
Die Amplitude von cos co t ist demnach proportional Ugi,
wenn Ugo als unveränderlich angesehen werden (kann; und die Amplitude von cos 2,co
t bleibt damit unverändert.
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In dersel.benWeise kann auch eine Vollweggleichrichterschaltung (Fig.7)
verwendet werden, Die Spannungsquelle, die zur Erzeugung der Steuerwechselspannung
der Frequenz fo dient, ist mit 70 bezeichnet. Sie wird über einen Wandler 71 auf
die Brückenschaltung gegeben, die aus den beiden Gleichrichtern 72, 73 und den Ohmschen
Widerständen 7q., 75 besteht. Die zu übertragende Gleichspannung wird .an den Klemmen
76.; 77 zugeführt. Am Ausgangstransformator 78 steht dann wiederum eine Spannung
der einfachen Frequenz fo und auch eine Spannung der doppelten Frequenz 2 f. zur
Verfügung. Die Wirkung des Doppelrohres wird hier durch entgegengesetztes Vorspannen
der beiden Gleichrichterstrecken erreicht. Je kleiner dabei der Aussteuerbereich
des einzelnen Gleichrichterelementes gewählt wird, desto mehr nähert man sich dem
oben durchgerechneten Fall der rein quadratischen Frequenzverdopplung. Allerdings
ist es dabei notwendig, sowohl Wechselstromleistung als auch Gleichstromleistung
einzusetzen, und die Belastung der Gleichrichter gestaltet sich nicht sehr günstig.
Immerhin ist dadurch aber eine Möglichkeit gegeben, die Frequenzverdopplung mit
der Modulation zu vereinigen und dadurch Gleichrichter und Glättungselemente zu
ersparen.