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Magnetischer Netzspannungsregler Die immer größer werdende Verfeinerung
im Elektro- und Nachrichtengerätebau hat es mit sich gebracht, daß an die Konstanz
der Versorgungsspannungen für derartige Geräte immer höhere Ansprüche gestellt werden.
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Unter den zur Konstanthaltung der Spannung eines Wechsel- oder Drehstromnetzes
entwickelten Geräten erfreut sich der magnetische Netzspannungsregler besonderer
Beliebtheit. Seine wesentlichen Vorteile sind: einfacher elektrischer Aufbau, hohe
Ausregelgeschwindigkeit, keine mechanisch bewegten Teile, Lastunabhängigkeit und
verhältnismäßig hoher Wirkungsgrad.
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Ein derartiger magnetischer Netzspannungsregler in einer seit Jahren
bekannten Schaltung besteht, wie aus der Abb. i zu ersehen ist, aus der Längsdrossel
i, der magnetisch gesättigten Querdrossel z, die in dem gezeichneten Fall als Spartransformator
ausgebildet ist, und dem Parallelkondensator 3. Legt man an die Klemmen O und A
eines solchen magnetischen Netzspannungsreglers eine um einen bestimmten Prozentsatz
um ihren Sollwert schwankende Wechselspannung, so ergibt sich an den Klemmen O'
und R' eine Spannung, deren Effektivwert annähernd konstant ist innerhalb eines
Bereiches, für den der Regler elektrisch dimensioniert wurde.
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Ist die Längsdrossel i außerdem noch mit einer Kompensationswicklung
WK versehen, so wird die Konstanthaltewirkung nicht nur weiter verbessert,
sondern der Regler auch in seiner Ausgangsspannung unabhängig von dem Betrage der
an ihm
angeschlossenen Last, nicht aber vom Phasenwinkel der Last.
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Ein solcher magnetischer Regler hat aber auch wesentliche Nachteile.
Dazu gehört zunächst, daß die Ausgangsspannung in ihrer Kurvenform, infolge der
Bildung höherer Harmonischer der Grundfrequenz des Wechselstromnetzes, durch die
magnetisch übersättigte Querdrossel a verzerrt wird.
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Es ist bekannt, daß man diese Verzerrungen durch Anwendung von Sperr-
oder Saugkreisen auf ein vernünftiges Maß herabsetzen kann, was jedoch eine Verteuerung
des Reglers mit sich bringt. Einfachheitshalber sind diese Saugkreise in der Abb.
z weggelassen.
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Ändert sich die Frequenz des Versorgungsnetzes, so ändert sich auch
um einen bestimmten Betrag im gleichen Sinn die Ausgangsspannung des Reglers.
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Es ist bekannt, daß man durch genügend fein abgestufte Anzapfungen
der Wicklung der Querdrossel und durch Umklemmen z. B. des Punktes C bei Frequenzschwankungen
Schwankungen der Ausgangsspannung ausgleichen kann. Durch Umklemmen des Punktes
C verändert man das Übersetzungsverhältnis der als Spartransformator ausgebildeten
Querdrossel.
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Die Ausgangsspannung eines nach Abb. r ausgeführten magnetischen Reglers
ist abhängig vom Phasenwinkel der nachgeschalteten Last. Ein kapazitiver Laststrom
verschiebt die Ausgangsspannung nach höheren Werten, weil er induktionserhöhend
auf die Querdrossel rückwirkt, eine induktive Laststromkomponente wirkt erniedrigend
auf die Ausgangsspannung des Reglers, weil durch ihre Rückwirkung in der Querdrossel
die Induktion herabgesetzt wird.
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Ausgangsspannungsabweichungen, hervorgerufen durch Lastwinkeländerungen,
lassen sieh ebenfalls im bestimmten Maße durch Umklemmen des Punktes C an der Querdrossel
bei den bisher bekannten Reglern ausgleichen, jedoch mit der Einschränkung, daß
sich der Phasenwinkel der Last im Betriebe des Reglers nicht ändern darf, sondern
konstant bleiben muß.
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In der Praxis ergeben sich viele Fälle, in denen ein Umklemmen an
einem magnetischen Regler wegen der Funktionsunterbrechung der nachgeschalteten
Geräte unmöglich ist. Aus diesem Grunde hat man an die Klemmen 0' und R' in Abb.
r zunächst ein frequenzabhängiges Netzwerk geschaltet und erst hinter diesem Netzwerk
die Last angelegt. Durch diese Maßnahme läßt sich, wie aus der Literatur bekannt,
die Frequenzabhängigkeit der Ausgangsspannung des Reglers weitgehend herabmindern.
Der Aufwand für das Netzwerk ist aber beträchtlich, besonders wenn es sich um größere
Konstanthalteleistungen handelt und die Frequenz in weiten Grenzen schwankt. Außerdem
ist bisher noch kein wirtschaftliches Verfahren bekannt, wie man die Lastabhängigkeit
der Ausgangsspannung hinter einem derartigen Entzerrer restlos beseitigen kann.
Weiterhin ist ein magnetischer Netzspannungsregler bekannt, bei dem der Fehler der
Ausgangsspannung, hervorgerufen durch Netzfrequenzschwankungen, ausgeglichen wird
durch Änderung der resultierenden Induktivität der Querdrossel mittels Gleichstromvormagnetisierung
einer parallel zur Querdrossel liegenden zusätzlichen Drossel, wobei die Vormagnetisierung
durch einen von der Netzfrequenz abhängig gesteuerten Gleichstrom bewirkt wird.
Auch unter Berücksichtigung des Fortschrittes, welcher in den letzten Jahren in
der Fertigung magnetischer Werkstoffe erzielt wurde, ist dieses Verfahren wegen
des erforderlichen Aufwandes nur zur Ausregelung kleiner Spannungsfehler geeignet,
hervorgerufen durch Änderungen der Netzfrequenz oder des Phasenwinkels der dem Konstanthalter
nachgeschalteten Last. Da auch in diesem Falle die Querdrossel im Sättigungsbereich
ihrer B/H-Kennlinie arbeiten muß, um die bereits vorher genannten guten Eigenschaften
eines magnetischen Netzspannungsreglers zu behalten, ist der Aufwand an Gleichstromamperewindungen
zur Erzielung einer merklichen Induktivitätsänderung der Querdrossel und damit einer
Änderung der Ausgangsspannung beträchtlich. Diese Tatsache ist aus der Literatur
über magnetische Verstärker bekannt, in welcher angegeben ist, daß die zur Induktivitätsänderung
erforderlichen Gleichstromamperewindungen immer in einem bestimmten Verhältnis,
welches sich nach dem verwendeten magnetischen Material richtet, zu den Wechselstrornamperewindungen
der zu regelnden Drossel stehen.
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An Hand der Abb. 2 wird ein Gerät nach der Erfindung beschrieben,
daß gegenüber den bisher bekannten magnetischen Netzspannungsreglern einen wesentlichen
Fortschritt darstellt.
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Das Gerät unterscheidet sich von dem in Abb. z beschriebenen bekannten
magnetischen Netzspannungsreglern elektrisch zunächst nur durch folgende Punkte:
a) In die Ausgangsleitung ist an den Klemmen EF einspannungsempfindliches Glied4eingeschaltet.
b) Das spannungsempfindliche Glied 4 steuert ein richtungsempfindliches Glied 5.
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c) Von dem richtungsempfindlichen Glied 5 werden richtungsempfindliche
Kommandos an die Nachstellvorrichtung 6 weitergeleitet.
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d) Die Nachstellvorrichtung 6 ist durch Kupplung 7 mit den zwischen
den Abzapfungen der Querdrossel verschiebbaren StromabnehmerkontaktA verbunden.
Zur Funktion des Gerätes können die Längsdrossel z, die als Spartransformator ausgebildete
magnetisch übersättigte Querdrossel 2 und der Parallelkondensator 3 wie bei den
bisher bekannten magnetischen Reglern ausgebildet sein. Spannungsänderungen zwischen
den beiden Punkten BF in der Ausgangsseite des Reglers bewirken durch Ansprechen
des spannungsabhängigen Gliedes 4 und der nachgeschalteten Glieder 5, 6 und 7 eine
selbsttätige Verschiebung des Stromabnehmerkontaktes zwischen den hinreichend feinstufigen
Anzapfungen
an der Querdrossel a und damit ein Verändern der Ausgangsspannung.
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Die gesättigte Querdrossel z ist zweckmäßig als ein ein- oder mehrlagig
gewickelter Schiebe- oder als Ringkerntransformator, die an sich bekannt sind, auszuführen.
Ein Ringkerntransformator hat gegenüber einem normalen Kern- oder Manteltransformator,
besonders bei hoher magnetischer Sättigung, den Vorteil eines kleineren äußeren
Streufeldes, was sich vorteilhaft auf in der Nähe befindliche elektrische und auf
Streufelder empfindliche Geräte auswirkt. Beim Ringkerntransformator fehlt die Stoßfuge
in dem lamellierten Blechkern. Dies bedeutet eine Verkleinerung der erforderlichen
Amperewindungen für eine bestimmte magnetische Induktion. Einen Ringkerntransformator
kann man am ganzen Umfang bewickeln, so daß eine geringere Streuung entsteht, die
ebenfalls eine Herabsetzung der Amperewindungszahl für eine bestimmte Induktion
bedeutet. Wie aus der Magnetisierungskurve für Dynamobleche bekannt ist, ist die
erforderliche Amperewindungszahl für Kerninduktionen, die über dem Knickpunkt liegen,
beträchtlich und daher jede Einsparung sehr erwünscht.
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Auf der obersten Lage eines Ringkerntransformators läßt sich leicht
eine Stromabnehmerbahn anbringen. Beim Verstellen des Stromabnehmers A ist durch
Verschieben von einer zur nächsten Windung eine sehr feinstufige Änderung der Ausgangsspannung
möglich. Die kleinste Änderung ist gleich der Windungsspannung der Querdrossel a.
Derartige feine Abstufungen sind wegen der hoben Konstanz, die von den Reglern gefordert
wird, notwendig. Die gleiche Wirkung könnte man allerdings auch mit einem Schiebetransformator
erreichen, jedoch hat er nicht den Vorteil der kleineren Amperewindungszahl wie
der Ringkerntransformator.
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Schaltet man den Stromabnehmer im Punkt A statt, wie an sich auch
möglich, in den Punkten B, C oder D in die Leitungsführung, so erreicht man eine
größere Wirkung auf den Betrag der Ausgangsspannung besonders bei Frequenzänderungen,
denn es wird nicht nur das Übersetzungsverhältnis AC/AD geändert, sondern auch das
Übersetzungsverhältnis AB/AD und damit gleichzeitig eine Induktionsänderung im Kern
erreicht, die bei Frequenzänderungen erwünscht ist, damit der Regler auch bei Frequenzänderungen
seine Eigenschaften im bezug auf Regelbereich, Lastunabhängigkeit und Toleranz behält.
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Das spannungsabhängige Glied 4 ist so ausgebildet, daß es nur auf
Änderungen des Effektivwertes der Ausgangsspannung anspricht. Es darf nicht auf
Änderung des Spitzen- oder Mittelwertes ansprechen, da sich durch Kurvenformänderungen
bei verschiedener Last oder Netzspannung der Spitzen- und Mittelwert der Ausgangsspannung
ändert. Seine Empfindlichkeit ist so groß, daß es beim Überschreiten der Reglertoleranz
(z. B. ± i °/o) bereits richtungsempfindliche Impulse an das Glied 5 weiterleitet.
Ferner ist es so gebaut, daß es auch bei sehr langsamer Änderung der Ausgangsspannung,
wie sie bei sehr langsamen Netzfrequenzänderungen vorkommt
in seinem zeitlichen Einsatz des Auslösens richtungsempfindlicher Impulse genau
definiert ist. Dadurch wird das Flattern im Gerät eingebauter Relais und damit das
Pendeln des Reglers verhindert.
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Das Glied 5 empfängt von dem Glied q. richtungsempfindliche Stromimpulse,
die es in richtungsempfindliche Kommandos umsetzt und an die Nachstellvorrichtung
6 weiterleitet. Das Glied 5 muß in seiner Ansprechzeitkonstante auf Impulse des
Gliedes q. so ausgebildet sein, daß seine Zeitkonstante für alle Betriebszustände
des Reglers immer größer ist als die innere Zeitkonstante des magnetischen Reglers,
gebildet aus den Gliedern i, z und 3 bzw. deren RLC-Daten. Das heißt, bei plötzlichen
Be- oder Entlastungen des Reglers oder momentanen Spannungssprüngen im Versorgungsnetz
regelt der magnetische Regler selbst erst nach einigen Perioden der Netzfrequenz
die Ausgangsspannung aus. Während dieser Zeitdauer darf das Glied 5 keine Kommandos
weitergeben und auch keine Impulse speichern. Nur dann ist ein ruhiges Arbeiten
des Reglers gewährleistet.
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Die Nachstellvorrichtung 6 kann elektromotorisch, elektromechanisch,
hydraulisch oder pneumatisch in einer der bekannten Formen ausgebildet sein. Ebenso
kann das Kupplungsglied 7 zwischen der Nachstellvorrichtung 6 und dem in seiner
Lage auf der Wicklung von einem Sollwert beiderseitig veränderbaren Stromabnehmer
als Hebel, Schneckengetriebe, Zahnstange oder in einer anderen bekannten Art ausgebildet
sein.
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Solange keine Frequenzänderungen des Netzes, Phasenwinkeländerungen
der Last oder Ausgangsspannungsänderungen infolge der thermischen Zeitkonstante
des magnetischen Reglers selbst auftreten, tritt die l\Tachstellvorrichtung des
Reglers überhaupt nicht in Tätigkeit, was sich in der Praxis über Tage oder Wochen
erstrecken kann. Für diesen Betriebsfall arbeitet der Regler wie ein bisher bekannter
magnetischer Regler.
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Sobald jedoch durch eine der drei Ursachen, einen Teil derselben oder
durch alle gleichzeitig die Ausgangsspannung die Toleranzgrenze des Reglers nach
; oder - überschreitet, spricht das Glied ,4 mit exakt zeitlich definiertem Einsatzpunkt
an und bewirkt über die Glieder 5, 6 und 7 ein Zurückverschieben der Ausgangsspannung
in die Toleranzgrenze des Reglers. Die Nachstellgeschwindigkeit ist in diesem Fall
zwar kleiner als beim magnetischen Regler, jedoch ist zu bedenken, daß z. B. Frequenzscbwankungen
in der Praxis immer nur langsam erfolgen wegen des mechanischen Trägheitsmomentes
der Synchrongeneratoren. Der bedeutende Fortschritt des beschriebenen Gerätes besteht
in der selbsttätigen Ausregelung von Ausgangsspannungsänderungen, hervorgerufen
durch Frequenzänderungen des Netzes und Phasenwinkeländerungen
der
Last unter Beibehaltung der hervorragenden Eigenschaften des bekannten magnetischen
Reglers für dessen normalen Betriebsfall, auf die die bekannten magnetischen Regler
von sich aus jedoch nicht ansprechen würden.
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Bei dem beschriebenen Regler bleibt der Aufwand an technischen Mitteln
zur Erreichung einer von der Frequenz unabhängigen konstanten Ausgangsspannung eine
praktisch feste Größe für verschiedene Typenleistungen von Reglern.
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Eine dauernd konstante und lastunabhängige Gleichspannung erhält man
durch einen nachgeschalteten Gleichrichter und Einfügung des spannungsabhängigen
Gliedes q. in den gleichstromseitigen Ausgang.