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Regeleinrichtung für Stromerzeuger Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung,
die sich ,durch höchste Genauigkeit und größten Regel-und Verstellbereich auszeichnet,
wobei die von .ihr aussteuerbare Erregerleistung praktisch unbegrenzt ist.
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Die neue Regeleinrichtung ist brauchbar für Stromerzeuger mit mindestens
zwei: Feldwicklungen oder mindestens zwei in: Reihe geschalteten Erregerstromqueallen,
die auf eine Fel4wirklung einwirken, wobei jeder Wicklung bzw. jeder Stromquelle
ein Regler zugeordnet: ist. Dabei spricht der erste dieser Regler, der im folgenden
als Hauptregler bezeichnet ist, auf die Regelgröße (Meßgröße), z. B. auf die Spannung
des Stromerzeugers, an und beeinfiußt eine der Feldwicklungen bzw. eine der Erregerstromquellen
direkt. Jeder machgeordnete Regler spricht indessen auf die StellgröBe des, vorhergehenden
Reglers an.
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Die Erfindung besteht darin, den Hauptregler zur Lieferung eines vorzugsweise
geringen Grundbeitrages zur Gesamterregung vorzusehen und diesen Grundbeitrag durch,
mittelbare Beeinflussung mit Hvlfe des. bzw. der nachgeschalteten Regler, die im
folgenden auch als Nebenregler bezeichnet werden, gleichzuhalten. Im Falle nur eines
zweiten Reglers als Nebenregler kann dieser dazu verwendet
werden,
mittelbar den Erregerstrom der ersten Feldwicklung oder die Spannung der ersten
Stromquelle durch Beeinflussung der zweiten Feldwicklung bzw. Stromqueille gleichzuh@alten.
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An seich ist bereits eine Regeleinrichtung für einen Stromerzeuger
mit zwei Feldwicklungen bekannt, denen, jeweils ein Regler zugeordnet ist. Der erste
dieser Regler ist ein tirriilllartiger Schnellregler mit Kontakten, deren öffnungs-
und Schließungsdauer von der Spannung des Generators beeinflußt wird. Erarbeitet
mit einem Relais zusammen, das .eine Hilfiserregermasehine derart beeinflußt, daß
deren Ausgangsspannung entsprechend der Öffnungs- und Sehtießungsdauer beständig
zwischen einem positiven und einem negativen. Wert schwankt. Die Hiilfserregesmaschine
speist die dem ersten Regler gehörige erste Erregerwicklung des Stromerzeugers.
Der zweite Regler dagegen arbeitet mit einem Servomotor, der einen in Reihe mit
der zweiten, im Nebensahluß angeordneten Erregerwicklung des Stromerzeugers liegenden
Widerstand. verstellt. Zur Steuerung des Servomotors der bekannten Einrichtung dient
die an der, ersten Erregerwicklung .liegende Ausgangsspannung des ersten Regilers.
Dort wird also bereits eine Steuerung des nveiten Reglers in Abhängigkeit von der
Stehgröße ,des ersten vorgenommen. Während jedoch bei der bekannten Einrichtung
der von denn ersten Regler gelieferte Erregungsbeitrag normalerweise,
d. h. bei der gewünschten. Sollspannung des Stromerzeugers, keinen Erregungsbeitrag
liefert, da dieser im Mittelwert gleich Nullist, liefert demgegenüber der von der
Regelgröße gesteuerte Regler der Einrichtung nach der Erfindung einen: konstanten
Grundbeitrag. Dieser Unterschied ist wesentlich; denn dadurch, daß der entsprechende
Regler bei der bekannten Einrichtung beständig zwischen einem positiven und eineue
negativen Wert pendelt und keinen Erregungsanteil liefert, wird im sogenannten Unzrripfindlichkeitsbereich
dieses Reglers gearbeitet. Dieser Nachteil ist bei der Einrichtung nach der Erfindung
vermieden. Hier arbeitet der Hauptregler vielmehr in einem Bereich großer Empfindlichkeit,
-so daB eine wesentliche Steigerung der Regelgenauigkeit erreicht wird.
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Durch die neue Anordnung wird erreicht, daß der Gegamtregelfehler
erheblich absinkt, da sich die einzelnen Fehlerfaktoren multiplizieren, so daß dementsprechend
(der verbleibende Fehler kleiner wird. De neue: Einrichtung kann vor allem dort
verwendet werden; wo erhöhte Genauigkeit bei größtem Regelbereich erforderlich ist,
z. B. für Eicbmaschinen, Leonardantrtiebe mit höchster Genauigkeit, Drehzahlregelung
mit Tachometermaschinen u. dgl. Sie ist auch für Anlagen brauchbar, die einen gegen
Rauchen Betrieb unempfindlichen Regler erfordern, ferner zur Steigerung der von
einem Regler zu bewältigenden Regelleistung.
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Für di,e neue Einrichtung sind Regler beliebiger Art geeignet, wobei
für Sonderfälle gewisse Kombinationen zu bevorzugen sind. Um die nötige Stabilität
zu erreichen, muß die Dämpfung so abgestuft sein, daß sie beim Hauptregler (Feinregler)
am kleinsten ist, während sie-,hei den Nebenreglern (Grobreglern) größer sein. kann;
das gleiche gilt von der Laufzeit.
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Der Erfindungsgedanke soll zunächst an Fig. i für eine Maschine reit
zwei Erregerwicklungen und direkte elektromagnetische Wideristandsreggler näher
erläutert werden. Mit i ist der auszusteuernde Generator bezeichnet. An der zu überwachenden
Spannung liegt die Erregerspule des Hauptreglers 2, wobei, wie an sich 'bekannt,
die Meßgröße durch den vorgeschalteten Sodlwerteünsteller 3 eingestellt wer=den
kann;. Der Hauptregler 2 verändert den Wertdes km Kreise der ersten Febdiwicklung
4 liegenden veränderlichen Widerstandes 5. DerStrom dieses Feldkreises führt, wie
aus der Zeichnung ersichtlich, über,die Erregerspuile 6,des zweiten Reglers, der
seinerseits auf den Widerstand 7 einwirkt und -damit den Strom i2 im zweiten Feld
8 der Maschine verändert. Mit 9 .ist das Erregernetz bezeichnet, das die Spannung
U, haben möge. Bei der vorbezeichneten Anordnung stellt der Hauptregler in Abhängigkeit
von -der Regelgröße, .in vorliegendem Falle von der Spannung, einen, gewissen Erregerstrom
il in der ihm zugeordneten, Feldwicklung 4 ein. Der Spulenstrom Isp dieses Reglers
weist über den gesamten Regelbereich, also, beispielsweise von il = o his wobei
R1 den Widerstand der Feldwscktung
4 bedeutet, eine Änderung (Regelfehler) von ± a - Ispauf. Der Wert Isp stellt
den Sollwert-dar, und-der Fehlerfaktor a selbst wird stets kleiner als i sein. Der
Spulenstrom für den Nebenregler ist il. Dieser weist über den gesamten Regelbereich,
z. B. von i2 = olis wobei R2 der Widerstand der Feldwicklung
8 ist, eine Änderung von b - il auf, wobei il den Sollwert des Nebenreglers darstellt.
Ändert sich il nicht von Na!ll bis zum Höchstwert, sondern nur um b - il, wobei
b-kleiner als i ist, dann. ist :der Regelfehler des Hauptreglers nunmehr nur noch
a -b - Isp, wobei unterstellt wurde, daß der Regelfehler über ,den gesamten
Bereich geradlinig verläuft. Mit anderen Worten gesagt, es wird sich der Regelfehler
verkleinern, bezogen auf den Grundfehler, wenn nur beispielsweise der
Teil des Regelbereiches ausgenutzt wird. Naturgemäß wird der Gesamtfehler absinken,
wenn mehrere Nebenregler benutzt werden, da sich der wirkIiche Fehler aus dem Produkt
aller Einzelfehlerfaktoren ergibt. Sind beispielsweise n Regler vorgesehen. und
jeden 'hat den gleichen Fehlerfaktor d, dann ergibt sich ,der Gesamtfehler zu an
- Isp. Da der Fehlerfaktor a
eines jeden Reglers stets kleiner als
i ist, sinkt demgemäß der Gesamtfehler bei .mehrfacher Anwendung von Reglern zuh.
Hierbei ist allerdings vorausgesetzt, daß die nachgeordneten Regler nur Fehler -in
Abhängigkeit von der Regelgröße ergeben, während ,der letzte Regler mit seinem Qes:amtfe@hler
in Rechnung gesetzt werden, kann. Die praktisrhe Auswirkung ist die, daß jeder nachfolgende
Regler
den vorhergehenden mit der Abweichung, die seinem Fehler
entspricht, immer auf den gleichen Arbeitspunkt zurückführt. Aus den Kennlinien
gemäß Fig. 2, wo in Abhängigkeit vom Erregerstrom der Spulenstrom aufgetragen ist,
wird dies ersichtlich. Man sieht, daß bei Benutzung nur eines Reglers der Fehler
zwischen ± a - Isp schwankt, während bei Hinzunahme eines zweiten
Reglers der Gesamtfehler auf den Wert ± a, # b - Isp absinkt. Bei
den vorhergehenden Betrachtungen war angenommen, daß der Fehlerverlauf des Hauptreglers
geradlinig ist.
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Es zeigt sich nun, -daß eine weitere Erhöhung der Genauigkeit dann
erzielt werden kann, wenn der Fehlerverlauf von, der Geraden abweicht, jedoch im
Mittelbereich mehr oder weniger geradlinig absinkt, was aus der Fig.3 ersichtlich
wird. Man erkennt, daß der verbleibende Gesamtfehler f noch geringer geworden ist
und erheblich von dem größten Fehler f, des Hauptreglers abweicht.
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Der Erfindungsgedanke läßt sich auch verwirklichen bei Maschinen,
die nur mit einer Erregerwicklung versehen sind. Dies ist dann möglich, w enn ,das
Feld von mehreren Stromquellen erregt wird. Hierzu könnten z. B. zwei, oder mehrere
in Reihe geschaltete Gleichrichter Verwendung finden, die durch vormiagnetisierte
oder im Luftspalt veränderliche Drosselspulen geregelt werden. Es wäre auch ohne
weiteres denkbar, eine andersartige Stromquelle, wie z. B. zwei in Reihe geschaltete
Erregermaschinen, zu: benutzen. Auch eine Kombination von Gleichrichtern, insbesondere
Trockengleichrichter mit einer Erregermaschine oder dem Netz wäre denkbar.
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Sorgt man dafür, daß der Hauptregler durch den oder die Nebenregler
stets wieder in seine Nullstellung zurückgeführt wird, dann bleibt die abnge Fehlerbedingung
erhalten. Infolge des starken Rückganges des Regelfehlers bei zwei- oder mehrstufigen
Anordnungen ist es zulässig, als Hauptregler noch einen solchen zu verwenden., der
mit einem verhältnismäßig großen Fehler behaftet ist. Dies wiederum hat zur Folge,
d,aß nunmehr auch Anordnungen brauchbar sind, die bisher wegen ,ihres zu großen
Fehlers kaum Verwendung fanden. Diese Regler haben aber wiederum den Vorteil, daß
sie durch ihre äußerst kräftige Bauart erschütterungssicher sind. Bei ihnen kommen
große Kräfte zur Auswirkung,dieReibung ist gering, sie sprechen daher rasch an und
brauchen keine Dämpfung. Im übrigen können sie sehr einfach aufgebaut sein, und
das Verstellorgan kann direkt auf die Stellgröße einwirken. Die Nebenregler hingegen
müssen in ihrer Dämpfung und Laufzeit so abgestimmt sein, daß sie keine Schwingungen
verursachen. Es ist daher erforderlich, daß Dämpfung und/oder Laufzeit vom Haupt-
zu den Nebenreglern hin zunehmen und aufeinander abgestimmt sind.
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Die neue Einrichtung arbeitet derart, daß kleine Abweichungen der
Meßgröße vom Sollwert unverzügl.lch mit geringster Verzögerung aasgeregelt werden,
auch dann, noch, wenn die Nebenregler längere Zeit einpendeln, weis auf die Gesamtregelung
praktisch kaum einen Einfluß hat. Je hochwertiger der Hauptregler ist, um so ungenauer
und unempfindlicher können die Nebenregler sein. Als Hauptregler kämen vor allem
direkt'wi.rkende Regler in Frage, wie z. B. Kontaktschnellregler, Kohledruck- oder
Wälzregler. Als Nebenregler sind die sogenannten Trägregler mit motorischer oder
hydraulischer Verstellung, beispielsweise Servoregler, zu verwenden.. Empfehlenswert
ist es, die Regler in ihren Eigenschaften aufeinander abzustimmen.
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In der nachfolgenden Fig. 4 ist eine Schaltanordnung dargestellt,
bei der die Regelung des. Generators durch einen Kontaktschnellregler in Verbindung
mit einem motorisch angetriebenen Verstellregler erzielt wird,.
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Der zu regelnde Generator ist mit i bezeichnet und hat zwei Feldwicklungen,
22, 23. Hiervon wird die Feldwicklung 22 durch den Gleichrichtersatz 24 gespeist,
dessen Wechselstromseite mit dem Wechselstromnetz 25 verbunden ist. Im Zuge der
Wechselstromzuleitung liegen die Kontakte 26 eines Schnellreglers, dessen Erregerspule
27 über den Sollwerteinsteller 28 an die zu regelnde Spannung i9 angeschlossen ist.
Im Stromkreis des Feldes 22 liegt ferner ein Feldteill 13 des Versfiellmotors io,
der an das Gleichstromnetz i i angeschlossen ist. Dieser Motor wirkt auf den Verstellwiderstand
12 ein, der den Strom -in der Feldwicklung 23 beeinflußt. Der Verstellmotor hat
zwei. entgegengesetzt wirkende Feldwicklungen 13, 14, so daß er rechts und links
laufen. kann. Der Kontaktregler hat einen abgeflachten Fehlerverlauf, wie er in
Fig. 3 dargestellt ist, und arbeitet an sich sehr genau. Der Trägregler ist durchden
Verstellmotor angetrieben, hat eine große Laufzeit und Unempfindlichkeit und geringe
Genauigkeit. Beide zusammen ergeben aber eine Regelanordnung, die trotz der geringen
Leistungsfähigkeit des Kontaktschneldreglers größte Leistungsfähigkeit, größten
Regel- und Verstellbereich .aufweist. Außerdem spricht die Anordnung rasohestens
an und ist pendelfrei. Hierbei braucht der Kontaktschnellregler nur einen Bruchteil
der Erregerleistung auszusteuern; je größer. allerdings der Anteil der von dem Kontaktregler
übernommenen Erregerleistung isst, desto rascher erfolgt die Gesamtregelung.
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Der Regelvorgang spielt sich, wie folgt, ab: Der Hauptregler, in vorliegendem
Falle der Kontaktschnellregler, tastet die Wechselstromseite des Gleichrichters.
Der Nebenregler versfelilt den vor der zweiten F&,d-,vicklung liegenden Regelwiderstand.
Der Verstellmotor hat .eine gleichbleibend erregte und eine vom Erregerstrom der
ersten Feldwicklung durchflossene und entgegengesetzt wirkende zweite Feldwicklung.
Letztere stellt die Reglerspule des Nebenreglers dar. Weicht der Erregerstrom der
Feldwicklung 22 im: der einen oder anderen Richtung vom Sollwert ah, dann dreht
sich der Motor io nach der einen oder anderen Richtung und korrigiert den Wert bzw.
führt ihn auf den Sollwert innerhalb seiner Fehlergrenze zurück. Hierbei kann der
Verste@llmotor an such beliebig
einpendeln, ohne @daß sich in der
Generatorspannungdiese Pendelung bemerkbar macht. Bei größerer Abweichung vom Sollwert
erhält der Motor mehr Erregerstrom und dreht daher um so schneller nach. Wird, der
Sollwert erreicht, ist das Motorfeld Null, da sich die Wirkung der beiden Wicklungen
13 und 14 aufhebt. Der Motor ist kurzgeschlossen und bleibt stehen. Ein Einpendeln
ist nur die Folge der magnetischen Trägheit des Generators. Der Verstellmotor kann
auch in anderer Weise gesteuert werden, z. B. durch direktes Schalten mit H'dfe
eines Kontaktrelais. -An Stelle des elektrischen Vers.telllmotors könnte ebensogut
eine Öldnuckverstellung- angewendet werden. Der Haupt- und der Nebenregler arbeiten
in entgegengesetzter Richtung, d. h. wenn der Hauptregler eine Widerstandsvergrößerung
bewirkt, veranlaßt der Nebenregler das umgekehrte. Es ist ratsam, die Genauigkeit
des Hauptreglers möglichst groß zu wählen, da. sich. dann ein Einpendeln des Nebenreglers
an der Gen:eratorspannung kaum noch bemerkbar macht.
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Die neue Einrichtung zeichnet sich durch eine Vergrößerung der Genauigkeit
der Gesanntregelung aus, sie ist stabil .gegen Pendelurigen, sie erlaubt die Verwendung
von kräftig gebauten und unempfindlichen Regelelementen anzch von solchen ohne Kontaktbetätigung.
Des weiteren ist es möglich, Hauptregler sehr kleiner Abmessungen und Steuerleistungen.
zu verwenden und damit größten Verstellbereich ohne großen Energieaufwand zu erlangen.
Der Regelbereich der --a3- Einrichtung ist praktisch beliebig groß, und trotz der
geringen Steuerleistung des Hauptreglers ist die Leistungsfähigkeit der Anlage insgesamt
praktisch unbegrenzt.