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Regelungseinrichtung hoher Genauigkeit für Wechselspannungen Aufgabe
einer Regelungseinrichtung für Wechselspannung ist die Konstanthaltung schwankender
Wechselspannungen, wobei die Schwankungen durch das Netz selbst oder durch die Belastung
hervorgerufen sein können. Prinzipiell wird diese Aufgabe bei vielen Regelungseinrichtungen
so gelöst, daß zwei Organe vorgesehen werden, die Regelstrecke und der Regler (Blockschema,
Fig. i). Der Regler ist eingangsseitig (Klemmen 3' und 4') an den Ausgang der Regelstrecke
angeschlossen (Klemmen 3 und 4). Spannungsschwankungen am Ausgang der Regelstrecke
(Klemmen 3 und 4) werden vom Regler zu einer StellgröBe verarbeitet, die der Regelstrecke
zugeführt wird (Klemmen 5 und 6) und diese so steuern, daB der Spannungsänderung
so lange entgegengearbeitet wird, bis nur ein kleiner Rest verbleibt, der den Regelungsvorgang
aufrechterhält.
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Es sind verschiedene Formen von Regelungseinrichtungen für Wechselspannung
bekanntgeworden, die entweder auf mechanische oder elektrische Weise betrieben werden.
Abgesehen von den mechanisch betriebenen Einrichtungen zeigen auch die elektrischen
den Nachteil einer begrenzten Regelgenauigkeit. Es werden z. B. übersättigte Transformatoren,
sogenannte »Gleichhalter«, verwendet, ferner mehrstufige magnetische Regelungseinrichtungen
(Kaskadenschaltung). In einer Ausführungsform wird die Stellgröße in einer Brückenschaltung
gewonnen, in der ein Zweig durch
den Gleichstromwiderstand einer
Wolframdiode gebildet wird, der durch die Heizung stark beeinflußbar ist.
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Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel einer bekannten Regelstrecke
unter Ausnutzung einer gesättigten Drossel Dy. Die Eingangsklemmen, an die die ungeregelte
Spannung angelegt wird, sind mit r und 2 bezeichnet. 3 und q. sind die Ausgangsklemmen,
an denen die geregelte, konstant zu haltende Spannung, die Regelgröße, auftreten
soll. Klemmen 5 und 6 dienen zur Zuführung der Stellgröße, der Ausgangsspannung
des Reglers, die an das Gitter und die Kathode der Röhre Rö gelangt. Entsprechend
der zugeführten Stellgröße wird der Anodenstrom der Röhre Rö eine dazugehörende
Magnetisierung der Drossel Dr bewirken. Die Drossel Dy stellt einen durch
die Magnetisierung veränderlichen induktiven Widerstand dar. Da diese Drossel
Dr in Serie mit der Primärwicklung des Transformators Ty, liegt, wird je
nach der Magnetisierung der Drossel Dr eine entsprechende Primärspannung
am Transformator Ty. liegen.
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Es ist weiter bekannt, die Eigenschaft von Gasentladungsröhren, die
Spannung unabhängig vom Strom praktisch konstant zu halten, zur Spannungsregelung
auszunutzen. Bei einer bekannten Ausführungsform einer solchen Regelungsanordnung
wird die zu regelnde Gleichspannung an die Reihenschaltung einer Glimmröhre mit
einem ohmschen Widerstand gelegt. Da die Spannung an der Glimmröhre praktisch konstant
bleibt, treten die Spannungsschwankungen voll am Widerstand auf, so daß die Spannungsänderungen
am Widerstand, bezogen auf den Mittelwert der Spannung am Widerstand, sehr groß
sind. Die am Widerstand auftretenden Spannungsschwankungen steuern einen Kippgenerator
in der Weise, daß der Einsatz der Kippspannungen von der Größe der im Widerstand
auftretenden Spannung ist. Die Kippspannungen werden dem Steuergitter der Gleichrichterröhre
zugeführt, welche die Eingangsgleichspannung liefert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelungseinrichtung sehr hoher
Genauigkeit für Wechselspannung mit möglichst geringem Aufwand an Schaltmitteln
zu schaffen.
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Die Erfindung bezieht sich daher auf eine Regelungseinrichtung hoher
Genauigkeit für Wechselspannungen, bestehend aus einer Regelstrecke und einem Regler,
bei der im Regler die Differenz einer aus der zu regelnden Wechselspannung unter
Mitwirkung einer Glimmröhre gewonnenen veränderlichen Gleichspannung und einer an
einer Glimmröhre liegenden konstanten Spannung gebildet und der Regelstrecke zugeführt
wird.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Regler eine ein-
oder mehrstreckige Glimmröhre in einem Wechselstromkreis in Reihe mit der Primärwicklung
eines hoch übersetzten Transformators liegt, so daß in der Glimmröhre starke Stromschwankungen
in Abhängigkeit von den Spannungsschwankungen auftreten und ein bestimmter Teil
der zugeführten Wechselspannung mit der vollen Spannungsschwankung auf die Sekundärseite
übersetzt wird, und daß die so mehrfach vergrößerte Spannungsschwankung nach Gleichrichtung
mit der an der Glimmröhre liegenden, ebenfalls gleichgerichteten Spannung verglichen,
d. h. die auf die Regelstrecke einwirkende Differenzspannung gebildet wird.
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Die Regelungseinrichtung gemäß der Erfindung hat gegenüber denbekanntenSchaltungsanordnungennicht
nur den Vorteil, daß nur sehr wenig Schaltungselemente erforderlich sind, sondern
daß auch die Steuerspannung, welche der Regelstrecke zugeführt wird, wesentlich
höher ist und deren Schwankungen ein Vielfaches der Schwankungen der Eingangsspannung
beträgt. Dies wird in sehr einfacher Weise einmal durch die Verwendung eines hoch
übersetzten Transformators, anderseits durch Bildung der Differenzspannung zwischen
der auf der Sekundärseite des Transformators auftretenden Spannung und der an der
Glimmröhre liegenden konstanten Spannung erzielt. Auf diese Weise wird nicht nur
eine wesentlich größere Regelgenauigkeit als bei den bekannten Schaltungsanordnungen
erzielt, sondern die erhaltene Differenzspannung kann direkt dem Steuergitter einer
Röhre zugeführt werden, ohne daß weitere Mittel erforderlich sind, wie beispielsweise
der Kippgenerator bei der bekannten Anordnung. Bei der Anordnung nach der Erfindung
ist die Glimmstrecke, im Gegensatz zu den bekannten Schaltungsanordnungen, unmittelbar
im Wechselstromkreis angeordnet und liegt in Reihe mit der Primärwicklung eines
hoch übersetzten Transformators. Infolge des sehr kleinen Wechselstromwiderstandes
der Glimmstrecke erzeugt eine schwankende Wechselspannung starke Stromänderungen
in der Glimmstrecke und in der Primärwicklung des Transformators, so daß auf der
Sekundärseite des Transformators im Vergleich zu den Schwankungen der Eingangsspannung
entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Transformators starke Wechselspannungsschwankungen
auftreten. Daher schwankt auch die gebildete Differenzspannung sehr stark, wodurch
sich eine sehr große Regelgenauigkeit ergibt.
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Fig. 3 zeigt im Prinzipschaltbild den Regler gemäß der Erfindung.
Er besteht aus einer mehrstreckigen Glimmröhre GL, einem in Serie dazu geschalteten
Transformator Ty3, zwei Einweg- oder Vollweggleichrichtern GR, und GR, und einem
RC-Netzwerk.
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Die Wirkungsweise dieses Reglers ist folgende: Eine schwankende Wechselspannung
erzeugt, an die Glimmstrecke Gl geführt, einen in der Nähe der Brennspannung stark
schwankenden Wechselstrom, wenn der Generatorwiderstand relativ niedrig ist. Diese
Stromschwankungen werden über den Transformator Tr3 in Spannungsschwankungen solcher
Größe übersetzt, daß nach Gleichrichtung (Gleichrichter GR,) und Vergleich mit der
Spannung der Glimmstrecke, die ebenfalls gleichgerichtet wird (Gleichrichter GR,),
über den ohmschen Widerständen R, und R2 eine Regelspannung an den Klemmen 5' und
6' erzeugt wird, deren Änderung einem Vielfachen der Änderung der speisenden Wechselspannung
an Klemmen 3' und q.' entspricht.
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Sieht man vom Formfaktor, vom Transformator-und Gleichrichterwirkungsgrad
ab, so ergibt sich, daß die Schwankungsverstärkung vorwiegend durch das Übersetzungsverhältnis
ü des Transformators Tr, bestimmt
wird, wie die folgende kurze
Rechnung zeigt.
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Zunächst werden folgende Bezeichnungen eingeführt: Spannung zwischen
Klemme 3' und 4' . . . ux (Regelgröße) Klemme 5' und 6' . . . uy (Stehgröße) Klemme
3' und 7 ... u1 (Primärpannung an Tr3) Klemme 5' und 7 .... u2 (Sekundärspannung
an Tr3) Klemme 7 und 6' . . . u91 (Spannung über der Glimmstrecke) Das Übersetzungsverhältnis
von Tr, ist also ü =
Die Schwankungsverstärkung
wird wie folgt berechnet uy=u2-u91 und u2=u,-ü, wobei u1 - Uz - ugl
;
daraus uy = (ux - ugl) ü - u91 .
Durch Differentiation
ergibt sich:
Zur besseren Erläuterung wird die Regelungseinrichtung gemäß der Erfindung in Fig.
4 in einer Gesamtschaltung dargestellt und im folgenden ausführlich beschrieben.
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Die ungeregelte Spannung wird den Klemmen i und z zugeführt und liegt
an der Primärseite des Transformators Tr, und der Sekundärseite der Sättigungsdrossel
Dr, die beide in Reihe geschaltet sind. Die Höhe der Primärspannung des Transformators
Tr, hängt also von dem Magnetisierungszustand der Drossel Dr ab.
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Der ohmsche Widerstand R4, der über der Primärwicklung des Transformators
Tr, liegt, dient zur Korrektur des Phasenwinkels. Die Serienkreise C3, L1 und C4,
L2 haben den Zweck, die dritte bzw. fünfte Harmonische zu reduzieren und damit den
Oberwellengehalt der abgegebenen Spannung zu vermindern.
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Der VIagnetisierungszustand der Drossel Dr wird in bekannter Weise
vom Anodenstrom der Röhre Rö bestimmt. Die Steuerspannung für die Röhre Rö wird
über den ohmschen Schutzwiderstand Rlo zugeführt und auf folgende Weise erzeugt:
Die zu regelnde Spannung am Ausgang der Regelstrecke, die an den Klemmen 3 und 4
auftritt, wird über einen Spannungsteiler, den Autotransformator Trl, an die Klemmen
3' und 4' geführt. Dieser Transformator Tr, ermöglicht die Einstellung der geregelten
Spannung zwischen zwei Extremwerten Umax und Ums" durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses.
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Über die Sicherung Si, den ohmschen Widerstand R3 und ein Wechselstromrelais
A gelangt die Wechselspannung an die Primärwicklung des Transformators Tr, die mit
der mehrstreckigen Glimmröhre Gl in Reihe geschaltet ist. Die ohmschen Widerstände
R6 und R, sind die Zündwiderstände der Glimmröhre Gl. Die Sekundärspannung am Transformator
Tr, wird durch den Gleichrichter GR, gleichgerichtet, der Gleichspannungsabfall
tritt am ohmschen Widerstand R, auf und wird mit dem Kondensator Cl geglättet. Die
Spannung über der Glimmstrecke wird ebenfalls gleichgerichtet durch den Gleichrichter
GR, und der Gleichspannungsabfall tritt am ohmschen Widerstand R, auf. Der Kondensator
C2 dient zur Glättung, ebenso der Kondensator C8, der über R, und R, geschaltet
ist. Die Spannungen werden durch Hintereinanderschaltung der ohmschen Widerstände
R1 und R2 subtrahiert und liefern die erforderliche Regelspannung für die Röhre
Rö.
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Die Wirkungsweise des Reglers ist nun folgende: Wenn die Ausgangsspannung
an den Klemmen 3 und 4 durch irgendeinen Einfluß kleiner wird, als sie eingestellt
wurde, dann sinkt auch die Spannung an den Klemmen 3' und 4'. Diese kleinere Spannung
wird durch den Transformator Tr, und die Glimmröhre verarbeitet und bewirkt ein
Absinken der Spannung über R1 und R2. Dies hat zur Folge, daß der Anodenstrom der
Röhre Rö ansteigt. Da der Anodenstrom durch die Primärwicklung der Sättigungsdrossel
fließt, wird durch sein Ansteigen der induktive Widerstand der Sekundärseite der
Drossel kleiner und damit die Primärspannung am Transformator Tr, größer. Diese
Erhöhung der Spannung an Tr, wirkt dem Absinken der Spannung an den Klemmen 3 und
4 entgegen.
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Im umgekehrten Fall, wenn die Ausgangsspannung größer wird, tritt
eine Vergrößerung der Gittervorspannung der Röhre Rö, eine Verkleinerung des Anodenstromes,
eine Vergrößerung des Drosselwiderstandes und damit eine Verkleinerung der Eingangsspannung
für Transformator Tr, ein, die wieder der Vergrößerung der Ausgangsspannung entgegenwirkt.
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Zum Ausgleich größerer Belastungsschwankungen wird über den Stromwandler
W eine stromproportionale Gleichspannung durch den Gleichrichter GR, erzeugt, die
durch den Kondensator C7 geglättet wird und am Widerstand R11 bzw. an den Klemmen
7 und 8 auftritt. Diese Gleichspannung wird in entsprechender Polarität an die Klemmen
7' und 8' geführt und liegt dadurch in Serie mit der früher beschriebenen Gittervorspannung.
Damit ist eine Ausregelung auch größerer Belastungsschwankungen möglich.
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Die Betriebsspannungen für die Röhre Rö werden in üblicher Weise durch
Gleichrichtung aus dem Wechselspannungsnetz gewonnen, wobei zur Konstanthaltung
dieser Betriebsspannungen in bekannter Weise die Wechselspannungen der Ausgangsseite
der Regelstrecke entnommen werden. Das Netzgerät ist nur angedeutet. Die Klemmen
3" und 4" kommen an die Klemmen 3 und 4.
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Um eine Spannungsvergrößerung am Ausgang der Regelstrecke bei Störungen
zu vermeiden, werden folgende Schutzvorkehrungen getroffen.
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Beim Ausfall der Glimmröhre bzw. Unterbrechung des Kreises, in dem
die Glimmröhre liegt, wird die Steuerspannung über R1 und R2 stark positiv bzw.
ganz
verschwinden und daher die Röhre Rö positive oder keine Gittervorspannung erhalten.
Dadurch entsteht ein hoher Anodenstrom, wobei die Drossel Dy so magnetisiert wird,
daß eine hohe Spannung an den Klemmen 3 und 4 auftritt. Das Wechselstromrelais A
schützt nun in der Weise, daß es stromlos wird und mit seinem Kontakt a eine Hüfsgittervorspannung
an die Röhre Rö legt. Diese Hilfsgittervorspannung wird über den Kathodenwiderstand
R9 und C5 gewonnen.
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Fällt die Röhre Rö aus, dann ist ihre Kathode kalt, und es fließt
kein Anodenstrom. Dadurch fällt die Vormagnetisierung der Drossel Dy weg, und die
Ausgangsspannung der Regelstrecke erreicht den untersten Wert Umjn. Die Ausgangsspannung
kann also nie größer werden als die geforderte geregelte Spannung. Beim Ein- und
Ausschalten ergeben sich dieselben Verhältnisse, da auch hier die Kathode der Röhre
Rö erst angeheizt wird bzw. erkaltet.
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Zum Zweck der Überregelung wird der Regler nicht ausgangsseitig an
die Klemmen 3 und 4 der Regelstrecke, sondern an die Klemmen i und 2 oder einen
Punkt am Autotransformator Ty, zwischen Klemmen i und 3 und Klemme 2 angeschlossen.
Je mehr man sich auf dem Windungsteil zwischen i und 3 der Klemme i nähert, desto
wirksamer wird die Überregelung.