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Regeleinrichtung für elektrische Maschinen Bei elektrischen Regeleinrichtungen
wird im allgemeinen eine der Regelgröße (Istgröße) verhältige Spannung oder ein
Strom mit einer Sollspannung oder einem Sollstrom als Bezugsgröße verglichen, und
eine daraus gebildete, dem Fehler der Regelung verhältige -Differenzgröße wird nach
Verstärkung als Stellgröße zur Ausregelung des Fehlers verwendet. Die zur Verstärkung
dienenden Einrichtungen werden als Regelverstärker bezeichnet. Sie müssen zur Erzeugung
entsprechender Verstellleistungen oft einen großen Verstärkungsfaktor haben und
außerdem eine geringe Trägheit aufweisen, .damit die Zeitkonstante der Regelung
klein bleibt.
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Bei der Regelung von elektrischen Maschinen, beispielsweise bei der
Spannungsregelung von Generatoren oder der Drehzahlregelung von Motoren, ist die
Zeitkonstante der Regelung schon an sich relativ groß. Dies ist vor allem bedingt
durch die Induktivitäten der Erregerkreise der betreffenden zu regelnden Maschinen.
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Es ist bekannt, bei der Regelung elektrischer Maschinen zunächst stark
überzuerregen, wodurch der erstrebte Sollbetriebszustand schneller erreicht wird.
Diese Art der Regelung wird auch als Schnellregelung bezeichnet. Dabei muß jedoch
zur Verhinderung von Pendelungen für eine alsbald einsetzende Dämpfung der Überregelung
gesorgt werden, damit der Regelvorgang stabil wird. Hierzu kann eine zeitliche Ableitung
der dem Regelfehler verhältigen Größe verwendet werden, die die Stellgröße der Regelung
während der Überregelung
im Sinne einer Stabilisierung des Regelvorganges
verändert. Eine derartige Maßnahme wird in der Regeltechnik als Vorhalt oder D-Einfluß
bezeichnet.
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Zur Bildung und Überlagerung der ersten zeitlichen Ableitung ist es
möglich, die Parallelschaltung eines Kondensators mit einem ohmschen Widerstand
in den Regelvergleichskreis zu legen. Dies zeigt grundsätzlich die Fig. i der Zeichnung.
An den Klemmen i, 2 wird eine Spannung U1 zugeführt, die der Regelgröße (Istwert)
verhältig ist. Bei der Spannungsregelung eines Generators kann dies z. B. die Klemmspannung
desselben sein. Bei der Drehzahlregelung elektrischer.Maschinen kann z. B. an die
Klemmen i, 2 die Spannung einer Tachometerdynamo angeschlossen werden, die mit der
zu regelnden Maschine gekuppelt ist. An den Klemmen 3, q. wird eine Vergleichsspannung
U2 (Sollwert) zugeführt. Die beiden Spannungen Ui und U2 subtrahieren sich und erzeugen
bei Abweichung der Istgröße von der Sollgröße eine dem Regelfehler verhältige Spannung
U3, die an der Steuerwicklung 5 des Regelverstärkers 6' die Spannung U4 als Stellgröße
der Regelung erzeugt. In Reihe mit der Steuerwicklung 5 liegt die Parallelschaltung
aus einem Kondensator 7 und einem ohmschen Widerstand B.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. i sei zunächst
angenommen, daß ein eingeregelter, sogenannter stationärer Zustand vorliege, so
daß die Spannungen Ui und U2 konstant sind. Wird durch einen äußeren Anlaß dieser
stationäre Zustand gestört, so ändert sich die Spannung Ui. Im ersten Augenblick
der Änderung wirkt der Kondensator 7 als Kurzschluß des Widerstandes 8, und es tritt
die volle Differenzspannung -zwischen U1 und U2 an der Steuerwicklung 5 auf, die
eine starke Überregelung auslöst. Je weiter die Aufladung des Kondensators 7 fortschreitet,
um so größer wird die an dem Widerstand 8 abfallende Spannung, die nun als Gegenspannung
die Spannung U3 wieder verkleinert, so daß die Stehgröße (Spannung U4) im Sinne
einer Zurückführung auf einen dem Regelfehler verhältigen Wert ebenfalls verkleinert
wird. Hat infolge der einsetzenden Regelung der Fehler, also die Differenz zwischen
U1 und U2, den Höchstwert überschritten, so daß der Fehler zurückgeht, so kann die
Spannung des inzwischen aufgeladenen Kondensators 7 größer werden als die Differenz
zwischen U1 und U2, und U3 seine Richtung umkehren, im Sinne einer; Rückführung
auf einen dem Regelfehler verhältigen Wert. Die. Überregelung wird also selbsttätig
rückgängig gemacht. Es ist eine Frage der Bemessung des Kondensators 7 und des Widerstandes
8, wie schnell der Regelvorgang stabilisiert wird. Es ist bekannt und in der Regel
erforderlich, den Vorhalteinfluß über einen eigenen Vorverstärker in den Regelverstärker
einzuführen.
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Bei Regelverstärkern, die auf Magnetisierung ansprechen, z. B. bei
Magnetverstärkern und Verstärkermaschinen, ist ferner bekannt, die Vorhaltwirkung
dadurch zu erreichen, daß die zeitliche Ableitung einer dem Regelfehler verhältigen
Größe einem zweiten, zusätzlichen Steuerstromkreis des Regelverstärkers zugeführt
wird. Die zeitliche Ableitung und die dem Regelfehler verhältige Größe wirken also
auf je einen besonderen Eingangskreis des Regelverstärkers ein. Diese Maßnahme hat
den Vorteil, daß für die Verstärkung der in ihrem Wert relativ geringen zeitlichen
Ableitung ein besonderer Verstärker nicht in jedem Fall erforderlich ist. Es wird
hierbei der Regelverstärker sowohl für die Verstärkung der Steuergröße als auch
für ihre zeitliche Ableitung benutzt. Nachteile dieser Maßnahme sind jedoch, daß
die zweite Steuerwicklung einen zusätzlichen Aufwand darstellt und viele feindrähtige
Windungen haben muß, und daß die Abmessungen und die Herstellungskosten des Regelverstärkers
nicht unerheblich vergrößert werden. Ein weiterer Nachteil ist die große Zeitkonstante
der zweiten Wicklung infolge der vielen benötigten Windungen. Die vielen Windungen
sind zur Vermeidung eines zusätzlichen Verstärkers erforderlich, damit die verhältnismäßig
niedrigen Werte, die die zeitlichen Ableitungen im Vergleich zu ihren Stammwerten
haben, in ausreichender Größe in den Eingang des Regelverstärkers eingehen, so daß
die zeitliche Ableitung wirksam genug in die Regelung eingreifen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten
Schaltungen zu vermeiden, vor allem einen besonderen Vorverstärker entbehrlich zu
machen und den statischen Fehler der Regelung sowie den Kondensator zu verkleinern.
Der statische Regelfehler ist der durch den Widerstand des Verstärkereingangskreises
bedingte Fehler. Er ist um so größer, je größer der Widerstand 8 ist.
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Eine Verkleinerung könnte man durch Vergrößern der Empfindlichkeit
des Verstärkers 6 in Fig. i, beispielsweise durch Erhöhung der Verstärkerstufenzahl,
erreichen. Dieser Maßnahme ist aber durch die praktische Ausführbarkeit der dünndrahtigen
Steuerwicklung 5 eine Grenze gesetzt. Dies trifft vor allem für Magnetverstärker
zu, doch kann auch bei Verstärkermaschinen die Steuerstromstärke aus baulichen Gründen
nicht beliebig verkleinert werden.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine wesentlich einfachere;
technisch bessere und auch wirtschaftlichere Lösung durch die Verwendung eines Stromwandlers
zur Ankopplung des Kondensators gegeben ist. Demgemäß wird bei einer Schnellregeleinrichtung
für elektrische Maschinen mit einem Regelverstärker mit Vorhalt zur Stabilisierung
des Regelvorganges, wobei ein der zeitlichen Ableitung der Regelabweichung verhältiger
zusätzlicher Steuerstrom durch eine im Eingangsstromkreis des Verstärkers liegende
Parallelschältuilg von Kondensator und ohmschem Widerstand aus dem Steuerstrom gebildet
und diesem galvanisch überlagert ist, erfindungsgemäß zur Verkleinerung des statischen
Regelfehlers und des Kondensators die Parallelschaltung an die Sekundärwicklung
eines Stromwandlers angeschlossen,
dessen Primärwicklung im Eingangsstromkreis
liegt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt. Fig. 2 zeigt grundsätzlich die Einschaltung des Stromwandlers 9, an
dessen Sekundärwicklung der Kondensator 7 und der Widerstand 8 angeschlossen sind.
Der Stromwandler 9 kann auf der Primärseite mit verhältnismäßig wenig Windungen
ausgeführt werden, so daß sein Primärwiderstand gegenüber einer feindrahtigen Steuerwicklung
keine Rolle spielt. Der Sekundärwiderstand des Stromwandlers wirkt im stationären
Fall, d. h. wenn die Spannung U1 und die Spannung U2 konstant sind, auf die Primärseite
nicht zurück. Die bei der Schaltung nach Fig. i auftretende, bei sehr genauen Regelungen
unter Umständen störende Vergrößerung des statischen Regelfehlers wird dadurch vermieden.
Die Einschaltung eines Stromwandlers gibt zugleich die Möglichkeit, durch Wahl seines
Übersetzungsverhältnisses mit kleinen Kapazitätswerten des Kondensators auszukommen,
ohne daß die zulässige Spannung an dem Kondensator überschritten wird. Diese liegt
bei Papierkondensatoren bereits über ioo Volt. Man kann daher mit ganz einfachen,
kleinen und billigen Kondensatoren auskommen.
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Die anderen Teile der Fig. 2 mit ihren Bezugszeichen entsprechen denen
der Fig. i. Der Widerstand 8 der Parallelschaltung ist veränderlich einstellbar
ausgeführt. Es ist ferner ein veränderlich einstellbarer Widerstand io vorgesehen,
der ebenfalls zur Einstellung der Vorhaltwirkung dient. Die Widerstände 8 und io
können gegebenenfalls auch fortbleiben. Zur Einstellung der Vorhaltwirkung können
außerdem der Kondensator 7 und das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers 9 veränderbar
sein.
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Der Stromwandler 9 in Fig. 2 kann vorteilhaft dazu benutzt werden,
.den Kondensator 7 vor Überbeanspruchung zu schützen. Bei genauen Regelungen beträgt
beispielsweise die an der Steuerwicklung 5 liegende und dem statischen Regelfehler
entsprechende Differenzspannung nur ein pro Mille der Spannungen LT, und U2. Fällt
durch -einen Schalt- oder Bedienungsfehler die Spannung U1 oder die Spannung U2
aus, so könnte an der Sekundärwicklung des Stromwandlers 9 und damit am Kondensator
7 die iooofache Beanspruchung auftreten. Zum Schutz hiergegen wird der Stromwandler
vorteilhaft so bemessen, daß noch vor Erreichen einer für den Kondensator 7 gefährlichen
Spannung Sättigung des Stromwandlereisens eintritt. Dies wirkt sich als Entkopplung
von Primärkreis und Sekundärkreis des Stromwandlers 9 aus.
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Zum Schutz der Steuerwicklung 5 selbst (Fig. i und 2) gegen unzulässige
Ströme kann der Steuerwicklung ein ohmscher Widerstand parallel geschaltet werden,
dessen Leitwert bei zunehmender Spannung an der Steuerwicklung stark ansteigt. Größere
Stromstöße werden dadurch an der Steuerwicklung vorbeigeleitet. Solche Stromstöße
können aber auch die an den Klemmen 1, 2 und 3, 4 angeschlossenen Spannungsquellen
gefährden. Um dies zu verhindern, kann ein ohmscher Widerstand in den Steuerkreis
- (in Fig. i und 2) zwischen die Klemmen 2 und q. - eingeschaltet werden, dessen
Leitwert mit zunehmender Spannung stark abnimmt, beispielsweise ein Eisenwiderstand
oder eine Glühlampe. Eine Schaltung mit einem Parallelwiderstand ii zum Schutz der
Steuerwicklung 5 des Regelverstärkers 6 und des Stromwandlers 9 vor unzulässigen
Strömen und einem Widerstand 12 zum Schutz der die Spannungen U1 und U2 liefernden
Spannungsquellen zeigt Fig. 3. Die übrigen Einzelheiten mit ihren Bezugszeichen
dieser Figur entsprechen denen der Fig. 2.
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Als Widerstand ii (Fig.3) zum Schutz der Steuerwicklung vor unzulässigem
Strom können zwei gegensinnig parallel geschaltete Trockengleichrichter vorgesehen
werden. Die Trockengleichrichter werden so bemessen, daß sie eine Schwellspannung
haben, die niedriger liegt als die maximal zulässige Spannungssumme an den beiden
zu schützenden Wicklungen. Bei Überschreitung ihrer Schwellspannung stellen sie
dann einen wirksamen Nebenschluß dar.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zum Schutz des Steuerkreises
der Regeleinrichtung nach Fig. 2 vor unzulässigen Strömen zeigt Fig. q.. Die an
den Klemmen 13 und 14 angeschlossenen Schaltteile werden an Stelle des Widerstandes
12 in Fig. 3 vor die Steuerwicklung 5 des Verstärkers 6 geschaltet. An Stelle des
ohmschen Widerstandes 12 treten zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Trockengleichrichter
15 und 16. Sie werden in Durchlaßrichtung durch eine Hilfsstromquelle über den Transformator
17 und die Ventilschaltung 18 mit einem etwas größeren Strom als dem Strom vorbelastet,
bei dem der Regelverstärker 6 voll ausgesteuert ist. Vor die Trockengleichrichter,
jedoch außerhalb des eigentlichen Steuerstromkreises des Regelverstärkers 6 ist
je ein Hochohmwiderstand 18 bzw. i9 eingeschaltet. Die Ventile 15 und 16 sperren
in dem Augenblick, in dem der Strom des Steuerkreises, also zwischen den Klemmen
13 und 1q., den Vorbelastungsstrom der Trockengleichrichter 15 und- 16 überschreitet.
Von da ab fließt der Steuerstrom über die Hochohmwiderstände 18 und i9, und infolge
großer Spannungsabfälle an diesen Widerständen verringert sich die Spannung an der
Steuerwicklung 5 und der Strom des gesamten Steuerkreises. Die Drosselspule 2o dient
zur Siebung des durch die Ventilschaltung 18 gleichgerichteten Wechselstromes. Bei
Drehstromausführung des Regelverstärkers 6 ist sie völlig entbehrlich. Durch die
vorgenannten Schutzmaßnahmen wird zugleich ein Schutz des Verstärkers 6 vor Übersteuerung
und der zu regelnden Maschine vor schädlicher Überregelung erreicht.
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Es ist möglich, an Stelle eines Kondensators zur Bildung einer zeitlichen
Ableitung des dem Regelfehler verhältigen Steuerwertes auch eine andere als Differentiator
wirkende bekannte Einrichtung zu verwenden, beispielsweise eine sogenannte Kondensatormaschine.
Sie besteht aus einem fremderregten
Gleichstrommotor, dessen Ankerwicklung
an Stelle des Kondensators 7 eingeschaltet wird. Es ist ferner möglich, Differentiatoren
zu verwenden, die höhere zeitliche Ableitungen erzeugen. Es ist auch gleichgültig,
ob der Regelverstärker mit einer Gleichstrom- oder einer Wechselstromrnagnetisierung
gesteuert wird.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf
umlaufende elektrische Maschinen, wie Motoren und Generatoren, beschränkt, sondern
kann auch bei ruhenden elektrischen Maschinen, z. B. bei Magnetverstärkern und Magneten,
angewandt werden und ebenso bei allen elektrischen Regelungen, die mit Überregelung
im Sinne .einer Schnellregelung und einem auf Magnetisierung ansprechenden Regelverstärker
arbeiten, z. B. bei der Regelung von. elektrisch beheizten Industrieöfen oder bei
der Regelung von Druck oder Temperatur mittels elektrisch betätigter Ventile.