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Einrichtung zur Herstellung einer unveränderlichen Wechselspannung
Um aus einem Wechselstromnetz veränderlicher Spannungshöhe eine unveränderliche
Wechselspannung entnehmen zu können, hat man vorgeschlagen, die Sekundärwicklung
eines Transformators mit dem die veränderliche Spannung liefernden Netz in Reihe
zu sehalten undi der Primärwicklung dieses Transformators eine Spannung aufzudrücken,
welche in jedem Augenblick einen derartigen Betrag besitzt, daß die veränderliche
Spannung -zu dem gewünschten unveränderlichen Wert ergänzt wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine besondere Art einer solchen Schaltung.
Es soll nämlich die Primärwicklung des erwähnten Transformators an zwei einander
gegenüberliegende Punkte einer Brückenschaltung angeschlossen sein, deren zwei anderen
einander gegenüberliegenden Punkte an einer Wechselspannungsquelle gleicher Frequenz,
vorzugsweise der gegebenen Spannungsquelle veränderlicher Spannungshöhe, liegen.
Zwei Zweige der Brücke sollen unveränderliche Scheinwiderstände enthalten, während
in die beiden anderen Brückenzweige gegensinnig parallel geschaltete, mit Steuergittern
versehene Dampf- oder Gasentladungsstrecken eingeschaltet sind. Die an den Steuergittern
dieser Entladungsstrecke liegende Spannung soll von Hand oder selbsttätig derart
geändert werden, daß etwa auftretende Abweichungen der unveränderlich zu haltenden
Spannung verschwinden.
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Es sind innerhalb des Erfindungsgedankens sehr viele verschiedene
Ausführungsformen denkbar. Einige von ihnen werden im folgenden beschrieben; die
entsprechenden Schal= tungen sind in den Abbildungen schematisch dargestellt.
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Abb. i läßt zunächst die Anordnung des Transformators und der auf
seiner Primärseite liegenden Brückenschaltung erkennen. Mit io ist dasjenige Wechselstromnetz,
dessen Spannung umveränderlich gehalten werden soll, mit i i dasjenige Netz, an-dem
die Wechselspannungsquelle veränderlicher Spannungshöhe liegt, und mit 12 der Transformator
bezeichnet. Seine Sekundärwicklung liegt mit dem die veränderliche Spannung liefernden
Netz in Reihe, während die Primärwicklung an die Phnkte P, und P2 der Brückenschaltung
angeschlossen ist, deren beide anderen Eckpunkte P3 und P4 an dein Netz i i liegen.
Zwei Zweige dieser Brücke enthalten unveränderliche Scheinwiderstäüde in Form von
Drosselspulen i4. und r6 ürid in den beiden anderen Zweigen außer weiteren Drosselspulen
13 und 15 je zwei gegensinnig
parallel geschaltete Dampf- oder Gasentladungsstrecken
17 und 18 bzw. ig und 2o. Die Schaltung für die Steuergitter dieser Entladungsstrecken
ist in Abb. i der Übersicht halber fortgelassen. Sie wird später an Hand der übrigen
Abbildungen in ihrer Ausbildung und Wirkungsweise eingehend beschrieben. Die Brückenschaltung
enthält ferner als wesentlichen Bestandteil noch einen Kondensator 21, über welchen
die beiden an der Primärwicklung des Transformators 12 liegenden Eckpunkte P1 und
P2 miteinander verbunden sind.
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Um die Wirkungsweise der Anordnung, soweit sie bis jetzt beschrieben
ist, zunächst in großen Zügen zu erläutern, sei angenommen, daß die Spannungen an
den Steuergittern der vier Entladungsstrecken 17 bis 2o zunächst keine Phasenverschiebungen
gegeneinander besitzen und infolgedessen alle um den gleichen Phasenwinkel den betreffenden
Anodenspannungen gegenüber nacheilen mögen. Die Brücke ist unter dieser Voraussetzung,
da auch die Drosselspulen 13 und 15 bzw. 14 und 16 paarweise einander gleich sind,
abgeglichen, so daß zwischen den Punkten Pi und P2 und somit auch an der Primärwicklung
des Transformators 12 keine Spannung auftritt. Die Spannung des Netzes io ist dann
bis auf den Spannungsabfall in der Sekundärwicklung des Transformators 12 gleich
derjenigen des Netzes ii. Wenn nun die Spannung des Netzes io beispielsweise infolge
einerBelastungszunahme absinkt, mögen die Spannungen an den Steuergittern der Entladungsstrecken
17 und 18 gegenüber den Anodenspannungen in der Phase vorgerückt werden, während
die Gitterspannungen der Entladungsstrecken ig und 2o eine Verschiebung im entgegengesetzten
Sinne erfahren mögen. Die Zündung findet daher in den Entladungsstrecken-
17 und 18 in einem früheren Zeitpunkte als in den Entladungsstrecken ig und
2o statt mit dem Ergebnis, daß der Widerstand des zwischen P1 und P3 liegenden Brückenzweiges
gegenüber demjenigen zwischen P2 und P3 liegenden vermindert wird. Die Brückenschaltung
befindet sich nun nicht mehr imGleichgewicht, und die zwischen den Punkten P1 und
P2 auftretende Spannung addiert sich über den Transformator i2 zu der Spannung des
Netzes i i in der Weise, daß die Spannungsabweichung des Netzes io wieder rückgängig
gemacht wird. Wenn in dem Netz io eine Spannungserhöhung auftritt, verschieben sich
die Gitterspannungen der Entladungsstrecken 17 bis 2c im entgegengesetzten Sinne
wie bei der eben erwähnten Spannungsabsenkung, und es tritt zwischen den Punkten
PI und P2 eine Spannung auf, welche um igo° gegenüber der bei einer Spannungsabsenkung
auftretenden Spannung phasenverschoben ist. Es wird somit auch in diesem Falle die
Spannungsabweichung des Netzes io wieder rückgängig gemacht. Der Kondensator 21
dient dazu, die zwischen den Punkten PI und P2 auftretende Spannung nach Möglichkeit
von Oberwellen zu befreien; die Kurvenform der Spannung, welche ohne diesen Kondensator
an den Punkten P1 und P2 auftreten würde, weicht nämlich wegen der in den Entladungsstrecken
nur während eines Teiles jeder Halbwelle fließenden Ströme in starkem '.L%Iaße von
der Sinusform ab.
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In Abb. 2 ist die Schaltung mit allen wesentlichen Einzelheiten dargestellt.
Die bereits in Abb. i vorkommenden Bestandteile sind mit den gleichen Bezugzeichen
versehen. Im übrigen läßt diese Abbildung erkennen, daß die Steuergitter derEntladungsstrecken17
bis 2o über Zwischentransformatoren 28 und 29 an zwei Spannungsteilerschaltungen
gelegt sind, welche über die Hilfstransformatoren 32 und 33 aus dem Netz i i gespeist
werden. Jede dieser Spannungsteilerschaltungen enthält einen Widerstand 3o bzw.
34 und eine Drosselspule 31 bzw. 35. Jede dieser Drosselspulen besitzt wiederum
eine Gleichstromvormagnetisierungswicklung 36 bzw. 37 und die eine der Drosselspulen
außerdem noch eine weitere der Gleichstromvormagnetisierungswicklung 36 entgegenwirkende
Gleichstromv ormagnetisierungswicklung43, welch letztere über einen Gleichrichter
44, vorzugsweise einen Trockengleichrichter, und einen Widerstand 45 ebenfalls an
das Netz i i angeschlossen ist. Die Wicklungen 36 und 37 sind in den Anodenstromkreis
einer Hochvakuumverstärkerröhre 38 eingeschaltet, deren Gitterkreis einen Kondensator
42 und parallel dazu einen Widerstand 39 enthält. An dem Netz io liegt eine aus
stromunabhängigen und stromabhängigen Widerständen 23 bis 26 bestehende Brückenschaltung
22, an welche die Primärwicklung eines Transformators 27 angeschlossen ist. Die
Anschlußpunkte dieser Primärwicklung sollen im folgenden in Anlehnung an die bei
einer gewöhnlichen Wheatstoneschen Brücke übliche Bezeichnung als Äquipotentialklemmen
bezeichnet werden. Der Sekundärkreis des Transformators 27 enthält außer dem schon
erwähnten Kondensator 42 und Widerstand 39 einen Gleichrichter 41, vorzugsweise
einen Trockengleichrichter, und eine Drosselspule 4o.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Abb.2 dargestellten Schaltung
sei zunächst bemerkt, daß der Widerstand 45, welcher der Gleichstromvormagnetisierungswicklung
43 vorgeschaltet ist, ebenso groß ist wie der innere Widerstand der Röhre 38 bei
größtem Anodenstrom. Da die Windungszahl der
Wicklung 43 ferner
gleich derjenigen der Wicklung 36 und gleich derjenigen der Wicklung 37 sein soll,
und da beide Drosselspulen 31 und 35 im übrigen in allen Abmessungen übereinstimmen,
ändern sich mit zunehmendem Anodenstrom in der Röhre 38 die Znduktivitäten der Drosselspulen
31 und 35 in folgender Weise: beim Anodenstrom Null ist der Eisenkern der
Drosselspule 35 vollkommen ungesättigt, der Blindwiderstand der Drosselspule 35
besitzt infolgedessen seinen Höchstwert. Der Eisenkern der Drosselspule 31 ist gleichzeitig
wegen des Einflusses der Wicklung 43 vollkommen gesättigt, der Blindwiderstand der
Drosselspule 32 besitzt infolgedessen seinen Mindestwert. Mit zunehmendem Anodenstrom
vergrößert sich die Sättigung der Drosselspule 35, und es verkleinert sich infolgedessen
ihr Blindwiderstand. Für die Drosselspule 31 findet mit zunehmendem Anodenstrom
eine Abnahme der Sättigung und infolgedessen eine Zunahme des Blindwiderstandes
statt. Beim Sättigungsstrom der Röhre 38 ist der Blindwider= stand der Drosselspule
35 auf seinen Mindestwert gefallen, derjenige der Drosselspule 31 dagegen, da sich
nun die beiden Wicklungen 43 und 36 in ihrer Wirkung vollkommen aufheben, auf seinen
Höchstwert gestiegen. Bei einem mittleren Wert des Anodenstromes stimmen somit die
Blindwiderstände beider Drosselspulen 31 und 35 überein. In diesem Fall liefern
die beiden Spannungsteilerschaltungen phasengleiche Spannungen für die Steuergitter
der Entladungsstrecken 17 bis 20. Die Steuerung der Röhre 38 und damit die
Beeinflussung der an der Primärwicklung des Transformators 12 liegenden Brückenschaltung
erfolgt nun selbsttätig in Abhängigkeit von den Spannungsabweichungen des Netzes
io. Es sei angenommen, d,aß heim Normalwert der Spannung des Netzes io an den beiden
Äquipotentialklemmen der . Widerstandsbrücke 22 eine endliche Spannung auftreten
möge, derart, daß über den Transformator 27 und den Gleichrichter 41 der Kondensator
42, welcher dem Gitter der Röhre 38 parallel liegt, auf eine negative Spannung im
Sinne der Potentialdifferenz zwischen Gitter und Kathode geladen werden möge. In
der Röhre 38 soll dabei gerade derjenige Strom fließen, bei welchem die beiden Drosselspulen
31 und 35 gleichen Blindwiderstand besitzen mögen. Die von den Spannungsteilerschaltungen
an die Primärwicklungen der Gittertransformatoren 28 und 29 gelieferten. Spannungen
besitzen dann untereinander keine Phasenverschiebung. Daß unter diesen Umständen
an der Primärwicklung des Transformators 12 keine Spannung auftritt, wunde bereits
bei Betrachtung der Abb. i festgestellt. Wenn -nun- beispielsweise infolge einer
Belastungszunahme -die Spannung des Netzes io- abfällt" vergrößert sich die an den
Äquipotentialklemmen der Widerstandsbrücke22 auftretende. Spannung; so daß der Spannungsäbfall
am. Koildensator 42 steigt. Der Anodenstrom der Röhre 38 fällt also ab, die Sättigung
der Drosselspule 35 wird infolgedessen vermindert, diejenige der Drosselspule 31
steigt dagegen an. Dies hat für die Drosselspule 35 eine Erhöhung des Blindwiderstandes
zur Folge mit dem Ergebnis, daß die Phasenwinkel zwischen den Spannungen an den
Gittern der Entladungsstrecken i 9 und 2o und den Spannungen an ihren Anoden vergrößert
werden. Gleichzeitig vergrößert sich die Sättigung der Drosselspule 31, und es-
verkleinert sieh infolgedessen ihr Blindwiderstand. Die Gitterspannungen der Entladungsstrecken
17 und i8 erfahren daher eine entgegengesetzte Verschiebung wie ,diejenige der Entladungsstrecken
i9 und 2o. Das Brückengleichgewicht wird dadurch gestört und der Primärwicklung
des Transformators 12 eine Spannung-aufgedrückt, welche .die Spannung des Netzes
io wieder auf ihren Sollwert zurückbringt. Wenn sich eine Spannungsabweichung des
Netzes io nach oben ergibt, verringert sich die an den _ Äquipotentialklemmen der
Widerstandsbrücke 22 .auftretende Spannung, so daß sich die Ladung des Kondensators
42 gegenüber ihrem Werte beim Sollbetrag der zu regelnden Spannung vermindert, die
Blindwiderstände derDrosselspulen 3 i und 35 ändern sich im umgekehrten Sinne, und
es tritt daher auch an den Brückeneckpunkten P1 und P2 eine Spannung des entgegengesetzten
Vorzeichens auf: Die Beseitigung von etwa auftretenden Spannungsabweichungen findet
bei der Einrichtung nach den Abb, i und 2, wie leicht einzusehen ist, nur insofern
statt, als jedem. Belastungszustand des Wechselstromnetzes zo ein anderer Wert seiner
Spannung zugeordnet ist, wobei diese Werte sich nur sehr wenig voneinander unterscheiden.
Daß eine genaue Konstanz der Spannung des Netzes zo :nicht zu erreichen ist, ergibt
sich leicht daraus, daß, sofern die Spannungsabweichung vollständig ausgeglichen
würde, notwendigerweise auch die an der Primärwicklung -des Transformators 12- auftretende
Spannung verschwinden müßte, was offenbar nicht möglich ist, -da gerade diese Spannung
ihre Entstehung -lediglich der Abweichung der zu regelnden Spannung vom Sollwerte
verdankt und, bei Verschwinden dieser Abweichung ihrerseits auch verschwindet. Die
Spannung des Netzes io ändert sich'also in Abhängigkeit von seiner Belastung in
ganz, ähnlicher
Weise wie die Spannung eines Gleichstromnebenschlußgenerators
in Abhängigkeit von der Belastung.
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In Abb.3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, und zwar der
Einfachheit halber nur insoweit, als sie sich von der Schaltung nach den Abb. i
und 2 unterscheidet. Die Röhre 38 enthält in ihrem Gitterkreis die Entladungsstrecke
einer weiteren Dampf- oder Gasentladungsstrecke 48, deren Anodenspannung über einen
Transformator 47 geliefert wird, der unmittelbar an das Netz io angeschlossen ist
und desse.i Gitterspannung über eine Vorspannungs-Batterie 49 und den Transformator
27 von den Äquipotentialklemmen der bereits an Hand der Abb. 2 beschriebenen Widerstandsbrücke
22 abgenommen wird. Der Anodenkreis der Entladungsstrecke 48 enthält noch einen
Belastungswiderstand 46, und ini übrigen unterscheidet sich die Schaltung noch dadurch
von der in den Abbildungen i und 2 dargestellten, daß die Primär- oder Sekundärklemmen
des Transformators 12 vertauscht sind. Es entspricht also dann einer Zunahme des
negativen Gitterpotentials der Röhre 38 eine Wiederabnahme der vorher angestiegenen
Spannung des Netzes io und nicht eine Zunahme wie bei der Schaltung nach den Abb.
i und 2.
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Diese Schaltung arbeitet in der Weise, daß die Spannung zwischen zwei
festen Grenzen dauernd schwankt, wobei der Mittelwert dann von dem Verhältnis derjenigen
Zeiten abhängt, während denen der obere und der untere Grenzwert eingehalten wird.
Dies kommt in folgender Weise zustande: Die Widerstandsbrücke 2a ist so abgeglichen,
daß bei der Sollspannung des Netzes io zwischen den Äquipotentialklemmen keine Spannung
auftritt im Gegensatz zu der Einstellung, die an Hand der Abb. 2 beschrieben wurde,
hei welcher beimSpannungssollwert eine endliche Spannung an den Äquipotentialklemmen
erscheint. Die im Falle der Abb.3 an den Äquipotentialklemmen auftretende Spannung
ist bei einer Spannungsabweichung des zu regelnden Netzes nach oben um i8o° Phasenverschoben
gegenüber der bei einer Spannungsabweichung nach unten auftretenden Spannung. Bei
einer Überschreitung des Spannungssollwertes ist die an dem Steuergitter der Entladungsstrecke
48 liegende Spannung in Phase mit der durch den Transformator 47 gelieferten Anodenspannung,
so daß in diesem Falle während jeder positiven Halbperiode eine Entladung in der
Entladungsstrecke 48 stattfindet und der Kondensator 42 in dem Sinne geladen wird,
daß das Gitter der Röhre 38 ein negatives Potential gegenüber ihrer Kathode erhält.
Einer Zunahme des negativen Gitterpotentials der Röhre 38 entspricht nach der eben
gemachten Voraussetzung bezüglich der Schaltung des Transformators 12 eine Abnahme
der Spannung des Netzes io. Sobald der Spannungssollwert dabei wieder durchlaufen
wird, verschwindet die Spannung zwischen den Äquipotentialpunkten der Widerstandsbrücke
22, und bei Unterschreitung des Spannungssollwertes tritt eine Spannung auf, welche
sich gegenüber der Anodenspannung der Entladungsstrecke 48 in Gegenphase befindet.
In dieser Entladungsstrecke findet infolgedessen dann während der positiven Anodenspannungshalbwelle
jetzt keine Entladung statt, so daß der Kondensator 42 keine neue Ladungszufuhr
erhält und daher seine Spannung durch Entladung über den Widerstand 39 sinkt. Das
Gitterpotential der Röhre 38 wird somit nach positiven Werten hin verlagert und
die Spannung des Netzes io infolgedessen wieder erhöht. Sofern der Spannungssollwert
wieder durchlaufen wird, dreht sich die Phasenlage der Gitterspannung der Entladungsstrecke
48 wieder um, so daß sich nunmehr Anoden- und Gitterspannung wieder in Phasenübereinstimmung
befinden. Es findet dann von neuem eine Rufladung des Kondensators 42 statt. Die
Größe des Kondensators 42 und die Eigenschaften seines Auf- und Entladekreises können
leicht so bemessen werden, daß die Spannung des Netzes io nur innerhalb sehr enger
Grenzen schwankt, und zwar mit einer solchen Geschwindigkeit, daß diese Schwankungen
in dem Netz io überhaupt nicht störend bemerkt werden. Der Mittelwert der Spannung
dieses Netzes ist, wie bereits bemerkt, bestimmt durch das Verhältnis der Zeiten,
während denen die Spannung des zu regelnden Netzes sich oberhalb und unterhalb des
Sollwertes befindet.
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Abb. 4 endlich zeigt eine Ausführungsform, welche sich von derjenigen
nach Abb.3 nur dadurch unterscheidet, daß der Widerstand 39 parallel zum Kondensator
42 weggefallen ist, und daß die Sekundärwicklung des Transformators 27 zweiteilig
ausgeführt ist.
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Bei dieser Anordnung ist dieWiderstandsbrücke 22 ebenso eingestellt,
wie an Hand der Abb. 3 beschrieben. Der Primärwicklung des Transformators 27 wird
somit, solange sich die Spannung des Netzes io auf ihrem Sollwert befindet, keine
Spannung zugeführt. Bei einer Spannungsabweichung des Netzes io in der einen Richtung
wird deshalb die eine der Entladungsstrecken 5o und 5 i zum Zünden gebracht, bei
einer Spannungsabweichung in der anderen Richtung die andere. Solange die Entladung
in der einen
Entladungsstrecke stattfindet, wird der Kondensator
42 auf eine Spannung desselben Vorzeichens, wie an Hand der Abb.3 beschrieben, aufgeladen.
Wenn die andere Entladungsstrecke zündet, findet über diese eine Entladung des Kondensators
42 statt. Zusammenfassend läßt sich demnach die Wirkungsweise dieser in Abb. 4 dargestellten
Anordnung dahingehend beschreiben, daß bei einer etwa auftretenden Abweichung die
Spannung des Netzes io auf ihren Sollwert zurückgeführt wird, und zwar, wie :gesagt,
im wesentlichen dadurch, daß die Spannung des Netzes io so lange unverändert bestehen
bleibt, als die Ladung des Kondensators 42 sich nicht ändert, wobei Änderungen in
dieser Ladung nur dann auftreten, wenn sich zwischen den Äquipotentialklemmen der
Widerstandsbrücke 22 ein Spannungsunterschied bildet. Der Betrag der Ladung des
Kondensators 42 hängt demnach von der Abweichung der Spannung des Netzes io von
ihrem Sollwert ab.