-
Einrichtung zur selbsttätigen Spannungsregelung in Wechselstromkreisen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine empfindliche Spannungsregeleinrichtung
für Wechselstromkreise zu schaffen, welche ohne mechanische Kontakte arbeitet und
geeignet ist als Spannungsgleichhalter, insbesondere auch in mehrphasigen Stromkreisen,
zu arbeiten. Die Erfindung setzt die Verwendung eines Regelorgans voraus, in dessen
Eingangsstromkreis ein Steuergleichstrom fließt, der von der geregelten Spannung
abhängig ist. Um Schwankungen der geregelten Spannung in verstärkte Schwankungen
des Steuergleichstromes umzusetzen, wird in an sich bekannter Weise ein Indikatorglied
benutzt. Dieses Indikatorglied muß eine Kennlinie besitzen, nach welcher jedem Wert
der geregelten Wechselspannung ein ganz bestimmter Wert des Steuergleichstromes
entspricht. Dabei soll zwecks Erzielung einer hohen Regelgenauigkeit einer geringen
Änderung der geregelten Spannung eine starke Änderung des Steuerstromes entsprechen.
Die Kennlinie des Indikatorgliedes muß außerdem weitgehend frequenzunabhängig sein
und soll in dem benutzten Bereich einen möglichst geradlinigen Verlauf zeigen.
-
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Steuergleichstrom
der durch eine Hilfsgleichrichteranordnung gleichgerichtete Strom einer als Indikator
wirkenden, in Reihe mit der Hilfsgleichrichteranordnung an der geregelten Spannung
liegenden und von dem Steuergleichstrom oder einem Teil davon vormagnetisierten
Drosselspule dient. Eine solche durch ihren eigenen gleichgerichteten Strom vormagnetisierte
Drosselspule zeigt eine Spannungsstromkennlinie, die über einen verhältnismäßig
großen Strombereich nur einen ganz geringen, praktisch linearen Anstieg der Spannung
zeigt. Da in Reihe mit
der Arbeitswicklung der als Indikator dienenden
Drosselspule über die Hilfsgleichrichteranordnung der gesamte Steuerstromkreis einschließlich
der Vormagnetisierungswicklungen der Drosselspule liegt, würde durch den Spannungsabfall
an den letztgenannten Teilen die Kennlinie wesentlich steiler werden. In dem gleichen
Sinne wirkt der unvermeidbare ohmsche Spannungsabfall in den Wechselstromwicklungen
der Drosselspule selbst. Um die gewünschte flache Spannungsstromkennlinie für die
Abhängigkeit der geregelten Ausgangsspannung von dem Steuergleichstrom zu erhalten,
ist es deshalb zweckmäßig, die einzelnen Teile so zu bemessen, daß die Gesamtheit
der erwähnten ohmschen Spannungsabfälle bei einem mittleren Steuergleichstrom kleiner
ist als 2o °(o des induktiven Spannungsabfalles an der Indikatordrosselspule. Damit
der Einfluß des Spannungsabfalles in dem Steuerstromkreis auf die Kennlinie der
Indikatordrosselspule klein bleibt, ist es außerdem erforderlich, daß dieser Spannungsabfall
auf der Wechselstromseite der mit der Wechselstromwicklung der Indikatordrosselspule
in Reihe geschalteten Hilfsgleichrichteranordnung tatsächlich mit dem Strom in Phase
ist, also einen rein ohmschen Spannungsabfall darstellt. In diesem Fall addiert
sich nämlich der Spannungsabfall an den Wechselstromklemmen der Hilfsgleichrichteranordnung
senkrecht zu dem induktiven Spannungsabfall an der Drosselspule, während anderenfalls
in ihm eine Komponente enthalten ist, die sich zu dem induktiven Spannungsabfall
an der Drosselspule algebraisch addiert. Nun enthält der Steuerstromkreis ja die
unvermeidbaren Induktivitäten, welche durch die Eingangswicklung des Regelorgans
und die Vormagnetisierungswicklung der Indikatordrosselspule gebildet werden. Das
wirkt sich auf der Wechselstromseite der Hilfsgleichrichteranordnung in einer Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung aus. Man kann diesen Einfluß der im Steuerstromkreis
liegenden Induktivitäten dadurch beseitigen, daß man parallel zu den Gleichstromklemmen
der Hilfsgleichrichteranordnung einen entsprechend bemessenen Kondensator schaltet.
-
In Fig. i der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung
die Schaltung eines dreiphasigen Spannungsgleichhalters dargestellt. Dabei dienen
als Regelorgane in den Phasenleitungen ebenfalls gleichstromvormagnetisierte Drosselspulen;
deren Vormagnetisierungswicklungen von dem Steuer= Bleichstrom durchflossen werden.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit erhalten die als Regelorgan wirkenden vormagnetisierten
Drosselspulen eine zusätzliche, dem Strom in ihren Arbeitswicklungen proportionale
Gleichstromvormagnetisierung, die dadurch zustande kommt, daß über jede Wechselstromwicklung
dieser Drosselspulen jeweils nur eine Halbwelle des Wechselstromes der betreffenden
Phase fließt.
-
Das speisende Drehstromnetz sei an die Punkte R, S und T und
der Verbraucher an die Klemmen U, V
und W angeschlossen. Als Regelorgan liegt
in jeder Phase eine gleichstromvormagnetisierte Drosselspule i, welche aus zwei
Teildrosselspulen besteht. Die Wechselstromwicklungen 2 und 2' der beiden Teildrosselspulen
jeder Phase sind unter Zwischenschaltung von Ventilen 5 und 5' zueinander parallel
geschaltet. Die Durchlaßrichtung der Ventile 5 und 5' ist so gewählt, daß über die
eine Teildrosselspule jeweils nur die positiven, über die andere nur die negativen
Halbwellen des Wechselstromes der betreffenden Phase fließen können. Die beiden
Teildrosselspulen sind mit gegensinnig in Reihe geschalteten Vormagnetisierungswicklungen
3 und 3' ausgerüstet, welche von dem Steuergleichstrom Ist durchflossen werden.
Ein die Ventile 5 und 5' überbrückender Kondensator 6 setzt die Spannungsbeanspruchung
dieser Ventile herab. Zwischen die gleichstromvormagnetisierten Drosselspulen i
und die Verbraucheranschlüsse ist noch ein nicht näher bezeichneter Spartransformator
mit den Wicklungen ,7 geschaltet, der die Aufgabe hat, bei Nennspannung auf der
Verbraucherseite den Spannungsabfall in den gleichstromvormagnetisierten Drosselspulen
x auszugleichen. Außerdem kann der Spartransformator als induktive Vorbelastung
für die gleichstromvormagnetisierten Drosselspulen dienen. Er wird deshalb zweckmäßig
mit einem Luftspalt ausgerüstet.
-
An dem Spartransformator wird nun ein Teilbetrag der geregelten Ausgangsspannung
abgegriffen und den in Reihe geschalteten Wechselstromteilwicklungen g und g' der
Indikatordrosselspule 8 zugeführt. In Reihe mit diesen Wechselstromteilwicklungen
g und g' der Indikatordrosselspule 8 liegt außerdem die Wechselstromseite einer
Hilfsgleichrichteranordnung i i, an deren Gleichstromklemmen der Steuerstromkreis
angeschlossen ist. Der über die Wechselstromteilwicklungen g und g' fließende Wechselstrom
durchfließt also in Form des Steuerstromes Ist nach erfolgter Gleichrichtung durch
die Hilfsgleichrichteranordnung 1i die Vormagnetisierungswicklungen 3 und 3'. Ein
Teil des Steuerstromes Ist durchfließt außerdem die Vormagnetisierungswicklungen
io und io' der Indikatordrosselspule 8, welche miteinander in Reihe geschaltet sind
und einen solchen Wicklungssinn besitzen, daß sie die beiden Kerne der Indikatordrosselspule
8 in bezug auf deren Wechselstromerregung in entgegengesetztem Sinne erregen. Parallel
zu den miteinander in Reihe geschalteten Vormagnetisierungswicklungen io und io'
liegt ein Widerstand 13.
-
An die Gleichstromklemmen der Hilfsgleichrichteranordnung ii ist ein
Kondensator 12 angeschlossen, welcher, wie bereits oben erwähnt, dazu dient, die
Induktivitäten des Steuerstromkreises zukompensieren, so daß an den Gleichstromklemmen
der Hilfsgleichrichteranordnung ii wenigstens für die Grundwelle Strom und Spannung
miteinander in Phase sind.
-
Um den Regelbereich der gleichstromvormagnetisierten Drosselspulen
i zu erweitern und ihre Kennlinie an die Kennlinie des Indikatorgliedes anzupassen,
erhalten die Drosselspulen i noch eine zusätzliche konstante Vormagnetisierung.
Hierzu dienen die Wicklungen 4 und 4', die in Reihe miteinander über eine Hilfsgleichrichteranordnung
14 an einen Teilbetrag der als praktisch konstant zu betrachtenden geregelten Ausgangsspannung
angeschlossen sind.
-
Bei der dargestellten dreiphasigen Anordnung ist für jede Phase eine
besondere Indikatordrosselspule
vorgesehen, so daß alle drei Phasen
unabhängig voneinander geregelt werden. Auf diese Weise gelingt es, auch den Einfluß
unsymmetrischer Belastungen auf die Spannungen auszugleichen.
-
Aus den Fig.2 und 3 geht das Verhalten des Indikatorgliedes näher
hervor. Über dem Steuerstrom Jst ist zunächst die Spannung U, an den Wechselstromteilwicklungen
9 und 9' der Indikatordrosselspule 8 aufgetragen. Diese Spannung enthält, wie in
dem Vektordiagramm der Fig. 3 dargestellt, eine induktive Komponente Ui und eine
wesentlich kleinere ohmsche Komponente U9u,. U11 ist die Spannung an den Wechselstromklemmen
der Hilfsgleichrichteranordnung ii. Wenn der Kondensator 12 (Fig. i) richtig bemessen
ist, dann ist die Spannung U11 eine rein ohmsche Spannung, d. h. ihr Vektor steht,
wie in Fig. 3 dargestellt, auf dem Vektor U9i der induktiven Drosselspulenspannung
senkrecht. Die Resultierende aus den Spannungen U, und U11 ist die Spannung U7,
welche der geregelten Spannung proportional ist. Man erkennt aus den Fig. 2 und
3, daß, wenn U11 eine rein ohmsche Spannung darstellt, die Kennlinie U7 nur umwesentlich
steiler verläuft als die Kennlinie U9. Die Abhängigkeit der Spannung U7 von dem
Steuerstrom Ist ist aber in einem verhältnismäßig weiten Bereich so gering,
daß eine geringe Änderung der Ausgangsspannung bereits eine starke und eindeutige
Änderung des Steuerstromes Ist
zur Folge hat.
-
Die Vorstromkennlinie der Hilfsgleichrichteranordnung ii hat auf die
Kennlinie des Indikatorgliedes nur einen geringen Einfluß. Wird, was ja wohl stets
der Fall sein wird, als Hilfsgleichrichteranordnung ii eine Trockengleichrichteranordnungverwendet,
so macht sich eine Alterung der Trockengleichrichter dadurch bemerkbar, daß die
Kennlinie des Indikatorgliedes durch das Anwachsen des ohmschen Spannungsvektors
steiler und damit die Regelgenauigkeit geringer wird. Rückstromänderungen der Hilfsgleichrichteranordnung
ii bedingen dagegen eine starke Verschiebung der Reglerkennlinie, da durch den Rückstrom
der Gleichstrommittelwert des Vormagnetisierungsstromes geändert wird. Es empfiehlt
sich deshalb, für die Hilfsgleichrichteranordnung ii eine Selengleichrichteranordnung
zu verwenden, da diese den kleineren Rückstrom hat. Eine Alterung in Form einer
Widerstandszunahme in Vorwärtsrichtung läßt sich durch geringe Strombelastung weitgehend
vermeiden.
-
Anstatt die Wechselstromteilwicklungen 9 und 9' der Indikatordrosselspule
8 miteinander in Reihe zu schalten, kann man sie auch in an sich bekannter Weise
zueinander parallel schalten. Bei einer solchen Schaltung wird jedoch die Indikatorkennlinie
infolge des Oberwellengehaltes leicht unstetig.