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Selbsttätige elektrische Regeleinrichtung Die Erfindung betrifft eine
selbsttätige elektrische Regeleinrichtung mit Hilfe einer Relaisschaltung, bei der
die Frequenz der dem Relais zugeführten Impulse einem bestimmten Wert, beispielsweise
der Differenz zwischen Ist- und Sollwert einer zu regelnden Größe, entspricht. Bei
einer solchen Schaltung tritt meist der Nachteil auf, daß der von dem Relais ausgelöste
Regelimpuls um so länger und wirksamer ist, je mehr sich die zu regelnde Größe dem
vorgeschriebenen Sollwert nähert. Gemäß der Erfindung läßt sich dieser Nachteil
vermeiden, wenn man die dem Relais zuzuführenden Impulse durch eine kapazitive Kopplung
der Erregerwicklung des Relais mit der Impulsquelle in ihrer Dauer begrenzt und
das Relais mit einer so großen Abfallverzögerung ausstattet, daß der Relaisanker
nach dem Überschreiten einer bestimmten Impulsfrequenz nicht mehr abfällt. Durch
die Benutzung eines Verzögerungsrelais wird dabei erreicht, daß beim Überschreiten
einer bestimmten Impulshäufigkeit ein Dauerimpuls zustande kommt und eine sehr kräftige
Regelung einsetzt. Es sind wohl Relaisschaltungen bekannt, bei welchen mit einem
Relais ein Kondensator in Reihe geschaltet ist. Hierbei hat aber der Kondensator
nicht den Zweck, die Impulsdauer zu begrenzen.
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Es ist zweckmäßig, dem Verzögerungsrelais noch eine besondere Hilfswicklung
zu geben, die eine den Erreger-AW entgegengesetzte MMK erzeugt. Diese bewirkt, daß
nach jedem Ansprechen des Relais der Feldträger mit Sicherheit bis auf den Nullwert
entmagnetisiert bzw. sogar auf negative Werte ummagnetisiert wird, daß also auch
bei kleiner auf den Relaisanker einwirkenden Rückzugskraft mit Sicherheit der Anker
vom Feldträger losgerissen wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Abreißvorgang
bis in den flachen Teil der abklingenden Magnetkurve des Feldträgers zu verlegen,
also mit verhältnismäßig großen Abfallverzögerungen zu arbeiten.
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Es empfiehlt sich, die auf den Anker einwirkende Rückzugskraft, die
magnetische Charakteristik des Relaiskerns und den Ankerluftspalt bei angezogenem
Anker derart aufeinander abzustimmen, daß der Anker praktisch erst -beim Verschwinden
oder kurz vor dem Verschwinden des Feldes abgerissen wird. Diese Abstimmung ist
besonders leicht durchführbar, wenn man für den Relaiskern ein magnetisches Material
mit besonders geringer Remanenz verwendet, also z. B. die bekannten Eisen-, Nickel-
und Kobaltlegierungen, die eine in der Mitte eingeschnürte Hysteresiskurve haben.
Solche Legierungen bestehen beispielsweise aus 7o bis io °/o Nickel, io bis 70 %
Kobalt, io bis 3o °/o Eisen bzw. aus 3o bis q.0 °jo Eisen, etwa 3 % Kobalt
-und der Rest aus Nickel.
Durch geeignete Wärmebehandlung kann die
Remanenz solcher Legierungen sehr klein gehalten werden. Mit der Luftspaltbreite
bei angezogenem Anker kann man dabei unter Umständen so weit herabgehen, als sich
durch Einschleifen von Anker und Relaiskern ergibt.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Abfallzeit des Relais derart zu
vergrößern, daß die abgegebenen Impulse ohne weitere Umwandlung durch Zwischenrelais,
z. B. Zeitrelais, unmittelbar der Steuereinrichtung des Reglers zugeführt werden
können und genügend große Reglerschritte ergeben.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erklärt werden.
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Fig. i zeigt im Schema einen Impulsgeber z. B. für eine Synchronisiereinrichtung
oder eine Einrichtung zur Einsteuerung der Frequenz auf einen vorgegebenen Sollwert.
Der Synchronmotor i wird durch das Netz N1 mit der Sollfrequenz gespeist, der Motor
2 durch das Netz N. mit der Istfrequenz. Statt dessen kann jedoch auch der Motor
i mit einem im Betrieb befindlichen Netz N1 verbunden sein, während der Motor 2
an den zu synchronisierenden Generator angeschlossen ist.
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Der Motor ,i treibt den ersten Teil 3 eines Differentialgetriebes
an, dessen zweiter Teil q. vom Motor 2 angetrieben wird und dessen dritter Teil
5 mit dem Kollektor 6 verbunden ist. Der Kollektor hat zwei voneinander isolierte,
zahnradartig ineinandergreifende Kontaktbeläge, auf denen die Bürsten 7 bis g schleifen.
Durch die Kontaktbeläge wird die mittlere Bürste 8 abwechselnd mit der Bürste 7
und der Bürste g verbunden. Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Kollektors,
die später erläutert werden soll.
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Die Bürsten 7 bis g sind an die Klemmen e, f, g angeschlossen,
die mit den entsprechenden Klemmen der Fig. 3 -verbunden sind. In Fig. 3 ist io.der_
Relaiskern mit der Erregerwicklung i i, dem Kurzschlußring 12 und der Gegenwicklung
13, die von einer Gegenspannungsquelle 1¢ gespeist wird. 15 ist der Anker, der einen
Impulsstromkreis für den schematisch durch das Rechteck 16 angedeuteten Regler steuert.
Das eine Ende der Erregerwicklung i i ist über den Kondensator 17 an die Klemme
f, das andere Ende über die Stromquelle 18 an die Klemme e angeschlossen. Zwischen
dem Kondensator 17 und der Erregerwicklung i i ist ein Entladungsstrompfad mit dem
Widerstand 1g abgezweigt, der zur Klemme g führt.
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Die Einrichtung arbeitet auf folgende Weise: Ist die Differenz zwischen
Ist- und Sollwert klein, läuft also der Kollektor 6 langsam um, so wird abwechselnd
dieVerbindung zwischen den Bürsten 7 und 8 und die Verbindung zwischen den Bürsten
8 und g verhältnismäßig lange aufrechterhalten. Es würden lange Impulse und Impulsunterbrechungen
entstehen, wenn die Erregerwicklung i i unmittelbar an den Kollektor 6 angeschlossen
wäre. Da aber zwischen Kollektor und Wicklung der Kondensator 17 geschaltet ist,
erhält die Wicklung i i immer nur einen der Ladung des Kondensators entsprechenden
Impuls verhältnismäßig kurzer Dauer. Der Entladeimpuls wird von der Wicklung 11
durch den Entladungsstrompfad 1g ferngehalten, der jeweils bei der darauffolgenden
Überbrückung der Bürsten 8 und g geschlossen wird.
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Das Abklingen der Feldkurve im Kern io wird durch den Kurzschlußring
12 verzögert, die Gegenwicklung 13 verhütet ein Hängenbleiben des Ankers 15, auch
wenn man mit dem Abreißvorgang bis in den flachen Teil der Abklingkurve geht. Durch
entsprechende Bemessung des Kondensators 17, der Gegenamperewindungen der Wicklung
13, der auf den Anker 15 einwirkenden Rückzugskraft und durch Auswahl geeigneten
Kernmaterials kann der Ankerabfall leicht so weit verzögert werden, daß der durch
den Anker erzeugte Impuls einen genügend großen Regelschritt erhibt.
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Bei großer Differenz zwischen Ist- und Sollwert läuft der Kollektor
6 schneller um. Es ergeben sich rascher aufeinanderfolgende und kürzere Impulse.
Der Regler 16 wird entsprechend der größeren Differenz zwischen Soll- und Istwert
in kurzen Intervallen betätigt. Die Regehverksschritte fallen aber trotzdem ungefähr
ebenso groß aus wie bei geringeren Differenzen zwischen Soll- und Istwert, weil
die von demRelais abgegebenen Impulse praktisch von der Länge der ankommenden Impulse
unabhängig sind.
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Ist schließlich die Differenz zwischen Soll-und Istwert so groß, daß
die Impulspausen des Kollektors 6 kürzer sind als die Abfallverzögerung des Relais,
so erhält der Regler 16 einen Dauerimpuls.
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Bei Anwendung dieser Schaltung ist es also möglich, unter Zuhilfenahme
nur eines einzigen Relais den vom Sollwert abweichenden Istwert zunächst mit einem
größeren Regelschritt, dann durch aufeinanderfolgende praktisch gleich große Einzelschritte,
die in immer größer werdenden Zeiträumen aufeinanderfolgen, auf den Sollwert abzugleichen.
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Während in Fig. 3 der Entladeimpuls des Kondensators 17 durch einen
vom Kollektor 6 gesteuerten Entladungspfad von der Relaiswicklung ferngehalten ist,
sind in Fig. q. zur Abriegelung des Entladungsimpulses vom Relais. Gleichrichter
verwendet. Diese Ausführungsform ergibt einen einfachen. Kollektor gemäß Fig. 2,
der nur mit einem einzigen
gezahnten Kontaktbelag versehen. ist
und nur zwei Bürsten 2o, 21 benötigt, -die an die Klemmen c, d angeschlossen sind.
Diese Klemmen sind mit den entsprechenden Klemmen der Fig.4 verbunden zu denken.
Bei dieser Ausführungsform 'ist das eine Ende der Wicklung i i über den Gleichlichter
22 und den Kondensator 17 mit der Klemme d verbunden, das andere Ende über die Stromquelle
18 mit der Klemme c. Zwischen dem Gleichrichter 22 und dem Kondensator 17 ist ein
den Gleichrichfer 23 enthaltender Entladungspfad abgezweigt, der sich über den hochohmschen
Widerstand 24 schließt.
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Die Einrichtung -,arbeitet auf folgende Weise: Werden die Bürsten
2ö; 21 durch den Kontaktbelag verbunden, so lädt sich der Kondensator 17 über die
Wicklung i i und den Gleichrichter 22 auf. - Die Erregerwicklung i i erhält auch
hier nur einen der Ladung des Kondensators entsprechenden Impuls. Wird hierbei die
Verbindung zwischen den Bürsten 2o und 21 unterbrochen, so entlädt sich der Kondensator
17 allmählich über den Gleichrichter 23 und den Widerstand 24. Der Gleichrichter
22 hält den Entladestrom von der Wicklung i i fern. Im übrigen arbeitet die Schaltung
im wesentlichen ebenso wie die der Fig. 3.
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Die Schaltung der Fig.5 stimmt in der Hauptsache mit der der Fig.
4 überein. Nur ist hier in den Stromkreis der Gegenwicklung 13 noch ein als Spannungsteiler
geschalteter Widerstand 25 eingeschaltet. DieEnden des Widerstandes können entweder
an die Klemmen h, i oder an die Klemmen a, b gemäß Fig. i angeschlossen
wenden.
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Die Klemmen h, i sind mit den Bürsten einer Tourendynamo 26
mit konstanter Erregung verbunden. Der Anker sitzt auf der Welle des Kollektors
6. Die von derDynamo erzeugte EMK ist um so größer, je größer die Differenz zwischen
Ist- und Sollwert ist. Der Widerstand 25 ist derart an die Klemmen lt,
i angeschlossen, daß sein Spannungsabfall bezüglich des Stromkreises der
Gegenwicklung 13 der Spannungsquelle 14 entgegenwi rkt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird auf das Schaubild der Figur
6 Bezug genommen. Hier ist in Abhängigkeit von der Zeit t das Feld im Kern 1o aufgetragen.
Die Strecke h entspricht dem Wert des Kernfeldes, der vorhanden ist, wenn nur die
Amperewindungen der Gegenspannungsquelle 14 wirken, wenn also die Dynamo 26 keine
Spannung erzeugt und die Erregerwicklung i i stromlos ist. Ein auf die Klemmen c,
d der Fig. 5 gegebener Impuls ruft eine Feldkurve 27 hervor, die sich beim Abklingen
asymptotisch der Parallelen KK zur Abszissenachse nähert. Ist der Anker 15
des Relais so abgestimmt; daß er-praktisch-erst beim-Verschwinden des Feldes abfällt,
dann ist die Dauer des abgegebenen Inipülses T1 durch den Schnittpunkt der Nullinie
oo mit der Kurve 27 bestimmt.
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Sobald jedoch eine Differenz zwischen .Ist-und Sollwert vorhanden
ist, erzeugt die Tourendynamo 26 einen Strom, dessen Spannungsabfall" im Widerstand
25 der Spannung der Stromquelle 14 entgegenwirkt. Ein auf die Klemmen c, d gegebener
Impuls ergibt dann beispielsweise die Feldkurve 28, die sich äsymptotisch der Linie
L-L nähert, die entsprechend dem Spannungsabfall im Widerstand 25 der Abszissenachse
oo näher gerückt ist. Man erhält dadurch einen Impuls T2 größerer Dauer.
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Bei sehr großen Differenzen überwiegt der Spannungsabfall im Widerstand
25 die Spannung der Stromquelle 14, die Asymptote-MM liegt dann oberhalb der Abszissenachse.
Es ergibt sich beispielsweise die Feldkurve 29, die überhaupt nicht durch die Nullinie
geht, und man erhält einen Dauerimpuls.
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Der Widerstand 25 kann statt an die Dynamo 26 auch an den Spannungsteiler
30 angeschlossen werden, der über Gleichrichter 31, 32 an je eine Phase der Motoren
i und 2 angeschlossen ist, 'von denen noch je eine weitere Phase mit der entsprechenden
Phase des anderen Motors verbunden ist. Bei dieser Schaltung wird dem Magnetkern
1o des Relais ein Teilfluß überlagert, dessen Wechselamplitude um so größer ist,
je kleiner die Differenz zwischen Ist- und Sollwert ausfällt. Für den Feldverlauf,
wie ihn Fig. 6, Kurve 28, beispielsweise zeigt, ergibt sich dann insofern eine Änderung,
als der Feldkurve ein Wellenzug überlagert wird, dessen Amplitude um so größer ist,
je kleiner die Differenz zwischen Ist- und Sollwert ausfällt. Wegen dieser Überlagerung
des Wellenzuges erreicht die Feldkurve um so früher die Nullinie, je mehr sich der
Istwert dem Sollwert nähert.
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Eine Verlängerung der abgegebenen Impulse kann dadurch erzielt werden,
daß man das Schaltbild der Figur 4 gemäß Figur 7 ändert. Hier ist parallel zur Wicklung
ii noch ein weiterer Kondensator 33 mit einemGleichrichter 34 geschaltet. Zwischen
den Teilen 33 und 34 ist ein Entladungspfad mit hochohmschem Widerstand 35 und dem
Gleichrichter 36 abgezweigt.
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Die Schaltung arbeitet im wesentlichen wie die der Figur 4, nur wird
durch den La:deimpuls gleichzeitig auch der Kondensator 33 aufgeladen. Dieser entlädt
sich nach Abklingung des Ladeimpulses über die Teile 35, 36 und die Wicklung i i
und verlängert dadurch die Dauer,der Magnetkernerregung.