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Anordnung zum Steuern und Regeln von Spannung und Strom bei über steuerbare
Ionenröhren gespeisten Gleichstromverbrauchern Gleichstromverbraucher können vorteilhaft
über steuerbare Dampfentladungsgefäße mit lichtbogenartiger Entladung, im folgenden
kurz Ionenröh.ren genannt, aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist werden.
Die kleine für Ionenröh -ren erforderliche S:t#--uerl-eistung macht diese besonders
geeignet für Schaltungen, in denen die durch die Röhren fließenden Ströme und die
von ihnen gelieferten Spannungen mit verhältnismäßig .geringem Aufwand gesteuert,
d. h. in ihrer Größe verändert werden und in denen sie geregelt, d. h. selbsttätig
mit mehr oder weniger großer Genauigkeit trotz störender Einflüsse wiederhergestellt
bzw. aufrechterhalten werden können. Das Ziel der Steuerung ist die möglichst stufenlose
Überstreichung eines größtmöglichen Bereiches oft von einem Nullwert an. Das Ziel
der Regelung ist die selbsttätige Konstanthaltung der mit der Steuerung eingestellten
Spannung oder des eingestellten Stromes, wobei insbesondere auch stoßweise auftretende
Störungen rasch und ohne Pendelungen ausgeglichen werden sollen.
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Die Schwierigkeit in der Ausbildung solcher Regelschaltungen liegt
darin, daß für hohe Regelgenauigkeit auch eine hohe Verstärkung erforderlich ist,
weswegen die für solche- Regelungen charakteristischen Kreissc'haltungen häufig
zu Selbsterregung neigen. Man kann die Regelkreise durch Einführen von Zeitgliedern
stabilisieren, hat aber dann den Nachteil, daß sie die Regelung träge machen. Ein
anderes, in komplizierten Schaltungen oft schwierig zu handhabendes Mittel für die
Stabilisierung ist das der vorübergehenden Rückführung. Der Vorteil besteht aber
darin, daß man mit solchen Rückführungen die Zeitkonstante im Regelkreis klein halten
kann.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Steuern und Regeln von Spannung
und Strom bei über steuerbare Ionenröhren gespeisten Gleichstromverbrauchern, welche
dadurch gekennzeichnet ist, daß von den beiden die Gittersteuerung der tonenröhren
gemeinsam beeinflu:ssenden Regelkreisen für Spannung und Strom der Spannungsregelkreis
keinen Verstärker enthält und. der einen Verstärker enthaltende Stromregelkreis
durch eine vorübergehende Rückführung stabilisiert wird. Diese vorübergehende Rückführung
erfolgt durch ein an ein Gitter einer im S.tromregelkreis angeordneten Verstärkerröhre
angeschlossenes RC-Glied.
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Das zur Rückführung dienende und aus der Serienschaltung eines Kondensators
und eines Widerstandes bestehende RC-Glied wird erfindungsgemäß zwischen den Kathodenbezugspunkt
der Ionenröhren und, das Steuergitter einer Verstärkerröhre eingeschaltet, welche
zu- einer den Spannungssollwert vorgebenden Brückenanordnung gehört und in deren
Steuergitterkreis die Regelabweichung des Stromregelkrei.ses zur Wirkung kommt.
NNTeitere Merkmale können der als Ausführungsbeispiel beschriebenen Schaltung entnommen
werden, welche an Hand der Abbildungen näher erläutert werden soll. Die Abb. 1 zeigt
in vereinfachter einphasiger Darstellung schematisch das Schaltungsbeispiel und
die Abb.2 ein Schaubild, welches die gegenseitige Abhängigkeit von Spannung und
Strom erkennen läßt. Die Ionenröhren 1, von denen hier im Prinzipsehaltbild nur
eine vom Typ der gittergesteuerten Gleichrichter gezeichnet wurde, versorgen den
Gleichstromverbraucher 2. Dieser kann beispielsweise eine Batterie, ein Verbraucher
mit ohmschen Widerstand, der Anker oder das Feld einer Gleichstrommaschine sein.
Zur Glättung des Stromes dient eine Drossel 3. Über den Gleichrichtertransformator
4 wird die mehrphasige Spannung für die Gleichrich.teranordnung geliefert. Die am
Nutzwiderstand des Gleichstromverbrauchers 2 entstehende Spannung kann in an. sich
bekannter Weise durch Verändern des Zündwinkels der Ionenröhren 1 beeinflußt werden.
Verwendet man z. B. die hier dargestellte Vertikalsteuerung, so benutzt man eine
mit dem Potentiometer 10 einstellbare Gittergleichspannung, um den Zündwinkel der
Ionenröhren 1 und damit die Spannung am Gleichstromverbraucher 2 zu steuern. Über
den Gittertransformator 17 wird dabei in an sich bekannter Weise eine feste Gitterwechselspannung
mit konstanter Phasenverschiebung gegenüber der speisenden Wechselspannung an der
Anode der zugehörigen Ionenröhre 1 in den Gitterkreis eingefügt.
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Das Potentiometer 10 dient gleichzeitig zur veränderbaren Einstellung
des Spannungssollwertes für die Regelung der Spannung. Denn dadurch, daß der
Schleifer
des Potentiometers 10 mit dem negativen Punkt des Belastungswiderstandes, d. h.
mit dem der Kathode abgewandten Anschluß des Gleichstromverbrauchers 2 verbunden
ist, wird die an 2 entstehende Ausgangsspannung als Istwert über den Weg 10, 9,
18, 17, 11 in den Gitterkreis der Ionenröhrenschaltung eingefügt. Man erhält durch
die Bildung der Regelabweichung im Gitterkreis eine Regelschaltung für die Spannung.
Steigt nämlich aus irgendeinem Grunde die Spannung am Gleichstromverbraucher 2 an,
so wird das Gitter der Ionenröhren 1 negativer. Positive Regelabweichung wirkt demnach
im Sinne einer Verminderung der Spannung. Umgekehrt wird infolge einer negativen
Regelabweichung das Gitter positiver, wodurch der Zündwinkel zu kleineren Werten
hin verschoben wird und sich die Spannung am Verbraucher entsprechend erhöht. Häufig
braucht man nicht die ganze am Gleichstromverbraucher 2 auftretende Spannung in
den Spannungsregelkreis einzufügen. Man begnügt sich oft mit einem von einem Spannengste
iler abgegriffenen Bruchteil der zu regelnden Spannung.
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Obwohl in diesem Kreis eigentlich keine Glieder mit Verstärkungscharakter
vorhanden sind, hat der vorstehend beschriebene Spannungsregelkreis, wenn man. ihn
aufschneidet, doch eine gewisse Verstärkung größer als Eins, wenn die Amplitude
der vom Gittertransformator 17 herrührenden Gitterwechselspannung im Verhältnis
zu der vom Gleichriehtertransformator 4 gelieferten Anodenwechselspannung entsprechend
gewählt ist. Diese Spannungsverstärkung des Spannungsregelkreises reicht oft schon
aus, um unerwünschte Regelschwingungen zu veranlassen. Zur Stabilisierung ordnet
man daher ein beispielsweise aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes
Zeitglied im Spannungsregelkreis an, das hier unmittelbar am Gitter der Ionenröhren
1 wirkt. Der Widerstand 11 liegt in der Gitterleitung, der Kondensator 12 verbindet
Gitter und Kathodenbezugspunkt.
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Außer diesem Spannungsregelkreis enthält die Schaltung noch einen
Stromregelkreis. Beide Regelkreise beeinflussen gemeinsam die Gittersteuerung der
Ionenröhren 1. Während im Spannungsregelkreis nur die den Ionenröhren selbst eigentümliche
Verstärkung wirksam ist, enthält der Stromregelkreis einen zusätzlichen Röhrenverstärker.
Der Stromwandler 5 liefert über den Gleichrichter 6 am Widerstand 16 eine dem durch
die Ionenröhren 1 fließenden Gleichstrom proportionale Gleichspannung. Solange diese
Ist"vertspannung kleiner ist als die mit dem Spannungsteiler 15 einstellbare, den
Sollwert verkörpernde Gleichspannung, ist die Spannung am Gitter der Röhre 8 positiv
und der durch den Außenwiderstand 9 fließende Sättigungsstrom der Röhre 8 unabhängig
von der an dem Widerstand 16 entstehenden Gleichspannung. Solange der Gleichstrom
im Gleichstromverbraucher 2 eine gewisse Größe nicht überschreitet, ist daher die
Stromregelung nicht wirksam und nur die oben beschriebene Spannungsregelung in Funktion.
Erst bei f_Tberschreitung der mit dem Spannungsteiler 15 einstellbaren Spannung,
welche dem Sollwert des Begrenzerstromes entspricht, steuert die am Widerstand 16
auftretende stromproportionale' Ist-,vertspannung die Röhre 8 mehr oder weniger
in dem Sinne, daß der Strom den mit dem Spannungsteiler 15 einstellbaren Grenzwert
nicht wesentlich überschreiten kann. Steigt der Strom an, so wird das Gitter der
Röhre 8 negativer vorgespannt und demzufolge der Anodenstrom durch die Röhre 8 vermindert.
Der Spannungsabfall am Widerstand 9 wird entsprechend kleiner, so daß sich die Spannungsverhältnisse
der aus der Röhre 8 und dem Widerstand 9 einerseits und andererseits aus dem Potentiometer
10 bestehenden Brücke in der Weise verschieben, daß das Gitter der Ionenröhren 1
weniger positiv wird. Der Zündwinkel der Gefäße stellt sich dadurch auf größere
Werte ein, so daß der durch die Anordnung fließende Strom verkleinert und auf den
Sollwert geregelt wird. Auf die gleiche Weise bewirkt ein Stromabfall eine entsprechende
Regelung im umgekehrten Sinne.
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Um die Stromregelung möglichst steil zu machen, muß die Verstärkung
im aufgeschnittenen Stromregelkreis, der durch 5, 6, 18, 16, 15, 7, 8, 9, 10, 17,
11, 12, 1, 2 dargestellt wird, verhältnismäßig hoch sein. Dazu dient die Verstärkerröhre
8, welche zwar beiden vermischten Regelkreisen angehört, aber nur im Stromregelkrei,s
eine Verstärkerfunktion ausübt. Im Spannungsregelkreis liegt sie nur als einer der
Teilwiderstände in der den Spannungssollwert vorgebenden und von einer Gleichspannung
gespeisten Brückenanordnung. Für die Stromregelung kommt durch Vergleich der den
Strom-Istwert abbildenden Spannung an den Bürden 16 und 18 des Stromwandlers 5 mit
dem mittels des Spannungsteilers 15 aus einer Gleichspannung gewählten Anteils die
Regelabweichung im Steuergitterkreis der Röhre 8 zur Wirkung. Die verstärkte Regelabweichung
verstimmt als Anodenstromänderung die Brücke 8, 9, 10 und wirkt über den Steue.rgi.tterkreis.
der Ionenröhren 1 im Sinne einer Stromregelung.
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Zur Stabilisierung dieses Stromregelkreises reicht die für die Stabilisierung
des Spannungsregelkreises genügende RC-Kombination 11, 12 in dem beiden Regelkreisen
gemeinsamen Steuergi.tterkreis im allgemeinen nicht aus. Macht man diese nun größer
oder führt man auch in den Stromregelkreis Zeitglieder ein, so wird die Regelgeschwindigkeit
kleiner und die ganze Anlage dadurch träger. Außerdem können bei verspätetem Ansprechen
der Strombegrenzung auch unztulässig erhöhte, Stromspitzen auftreten, die zu einer
Beschädigung der für eine Stromüberlastung besonders empfindlichen Ionenröhren kleiner
Leistung (Thyratrone) führen können.
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Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß zwischen dem Kathodenbezugspunkt
der Ionenröhen 1 und dem Steuergitter der Röhre 8 ein RC-Glied 13, 14 eingefügt,
das als vorübergehende Rückführung der Regelgröße im Stromregelkreis wirkt. Steigt
nämlich durch irgendwelche Störungen der Strom plötzlich an, so erhält das Gitter
der Röhre 8 über den Stromwandler 5, den Gleichrichter 6 und den Belastungswiderstand
16 eine negative Gleichspannung, die dem neuen Stromwert entspricht. Außerdem gelangt
jedoch über das aus der Serienschaltung eines Widerstandes 13 und eines Kondensators
14 bestehende RC-Glied ein Stromstoß an das Gitter der Röhre 8, welcher gerade umgekehrt
gerichtet ist. In diesem Fall ist nämlich der am Belastung swiderstand des Gleichstromverbrauchers
2 auftretende Spannungsabfall positiv. Die Höhe der wirksamen positiven Spannung
bestimmt sich aus der am Gleichstromverbraucher 2 entstehenden Spannung und der
Spannun@gsteilerschaltung aus den Widerständen 13 und 7 sowie den an dem Belastungswiderstand
16 und dem Spannungsteiler 15 liegenden Spannungen.
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Die Ablösung der Spannungsregelung durch eine bei einem einstellbaren
Begrenzerwert einsetzende Stromregelung ist nur möglich, wenn die Spannungsregelung
statisch ist, so daß die Spannungskenulinie noch eine gewisse Neigung besitzt. Die
Horizontale im Schaubild nach Abb.2 entspricht dem konstanten
Sollwert,
Je näher an der Horizontalen die Kennlinie, bei einer Motorsteuerung beispielsweise
die Ankerspannungskennlinie, verläuft, um so größer muß nun die Verstärkung im Stromregelkreis
sein. Damit wachsen aber auch die Schwierigkeiten zur Stabilisierung in bekannter
Weise. Um nun trotzdem auch eine annähernd horizontale Spannungskennlinie zu erhalten,
wird eine Kompensationsschaltung verwendet. Ein dosierbarer Anteil der von einem
Stromwandler auf die oben beschriebene Weise gewonnenen, dem Strom proportionalen
Spannung wird als Störgrößenaufschaltung unmittelbar in den beiden Regelkreisen
gemeinsamen Steuerkreis der Ionenröhren 1 eingefügt. In dem im Schaltbild dargestellten
Ausführungsbeispiel geschieht dies mittels des Potentiometers 18, welches in Reihe
mit dem Belastungswiderstand 16 die Bürde des Stromwandlers 5, 6 bildet. Durch Verstellen
des Abgr iffes am Potentiometer 18 kann in einfacher Weise die Neigung der Spannungskennlinie
verändert und so letztere bis zur Horizontalen angehoben werden. Die Stromregelung
bleibt bei Verwendung dieser Kompensation praktisch unabhängig von deren Einstellung.