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.Anordnung zur Grob- und Feinregelung der Spannung -oder Drehzahl
elektrischer Maschinen ' Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Grob-- und Feinregelung
von elektrischen Ma= schinen- in der Spannung oder in der Drehzahl, die sich nameritlich
dann als zweckmäßig erweist, wenn einerseits eine gute Konstanz der geregelten Betriebsgröße
gewünscht wird, andererseits aber gerade diese Betriebsgröße ohne Regelung starken
Schwankungen unterworfen sein würde. Die Grobregelung wird dabei ynAbhängigkentvon
einer odermehreren Ursachen der Abweichungen der zu regelnden Größe von ihrem Sollwert
durchgeführt; während die Feinregelung in Abhängig- ; keit von Abweichungen der
zu regelnden Größe selbst von ihrem Sollwert wirkt. Die Ursachen der Abweichung
der Spannung oder Drehzahl .. einer Maschine von ihrem -Sollwert sind vornehmlich
Änderungen des Belastungsstromes bzw. hinsichtlich der Spannung' auch Änderungen
der Drehzahl der Maschine. Die Grobregelung erfolgt also bei Spannungsregelung vor
allem in Abhängigkeit von Änderungen des Belastungsstromes oder der' Drehzahl, während
die die Feinregelung steuernde-Größe z: B.. durch die Differenz der geregelten Spannung
und einer konstanten Vergleichsspannung gebildet wird. - ' Die Erfindung besteht
nun darin,' daß für @. die Grobregelung gittergesteuerte -Dampf-oder Gasentladungsstrecken
mit unstetiger Steuerung verwendet werden, für die Feinregelung dagegen mit Verstärkervvirkung
arbeitende gittergesteuerte Hochvakuumentladungsstrecken. Durch diese'Anwendung
von elektrischen - Entladungsgefäßen wird _ ein Höchstmaß an Regelgeschwindigkeit
und RegelgenauiglCeit erzielt, Die gittergesteuerten Dampf-- oder, -Gasentladungsstrecken-mit
unstetiger Steuerung des Stromes haben. die 'Eigenschaft, 'daß 'in ihnen sehr erhebliche
Leistungen gesteuert werden können. Die Regelgeschwindigkeit'ist also eine sehr
hohe. Die, Unstetigkeit der Steuermöglichkeit ist deshalb ungefährlich;, weil die
mechanischen bzw. magnetischen Trägheiten der Maschinen 'immer so groß sind, daß
die Wirkung dieser Unstetigkeiten verschliffen wird. Diese gittergestetuertcn-Dämpf-
oder Gasentladungsstrekken -haben jedoch andererseits den Nachteil, daß der vön
ihnen gesteuerte Strom nicht eindeutig von der steuernden Gitterspannung abhängig
-ist. Die Steuerung ist also verliältnismäßigungenau. Dieser Nachteil wird ntin
durch die für die Feinregelung noch- verwendeten gittergesteuerten ' Hochvakuumentladunggstrt>ckLn
beseitigt, da idiese bekanntlich eine sehr genaue -Regelung'ermöglichen.
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An sich ist bereits -eine Regelanordnung bekannt, bei der-für dieRegelung
der Spannung einer Fernleitung eine Grob- und eine Feinregelung
vorgesehen
ist. Die Grobregelung wirkt über einen mechanischen Regler (Tirrill-Regler) in Abhängigkeit
von der Netzspannung auf die Erregerwicklung der die Fernleitung speisenden Maschinen
ein. Für die Feinregelung ist ein Hochvakuumentladungsrohr mit Gittersteuerung vorgesehen,
das in Abhängigkeit vom Strom der Fernleitung auf die Erregerwicklung des Generators
einwirkt. Demgegenüber werden bei der Erfindung sowohl für die Grob- als auch für
die Feinregelung Entladungsstrecken verwendet; jedoch sind diese Entladungsstrecken
in der geschilderten Art voneinander verschieden. Außerdem erfolgt die Grobregelung
bei der Erfindung in Abhängigkeit von einer oder mehreren Ursachen der Abweichungen
der zu regelnden Größe von ihrem Sollwert, während bei der bekannten Anordnung eine
derartige Steuerung für die Feinregelung durchgeführt ist. Die Anordnung nach der
Erfindung besitzt eine wesentlich höhere Regelgeschwindigkeit, einerseits weil keine
mechanischen Regler verwendet werden, andererseits weil die gittergesteuerten Dampf-
oder Gasentiadungsstrecken eine sehr hohe Regelleistung ermöglichen. Außerdem kann
sich das in beiden Fällen verwendete Hochvakuumentladungsgefäß bei der Erfindung
bezüglich der Regelgenauigkeit besser auswirken, da es unmittelbar in Abhängigkeit
von. den Abweichungen der zu regelnden Größe, bei der bekannten Einrichtung dagegen
in Abhängigkeit von einer Ursache der Abweichung der zu regelnden Größe vom Sollwert
gesteuert wird.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Fig. i zeigt zunächst eine grundsätzliche und daher gegenüber der
praktischen Ausführung vereinfachte Schaltung. i ist der Anker eines in der Spannung
zu regelnden Gleichstromgenerators, 2 und 2a sind zwei Feldwicklungen, die sich
in ihrer Wirkung gegenseitig unterstützen. Die Feld-,vicklung 2 wird dabei für die
Grobregelung der Generatorspannung benutzt. Für die Erzeugung des Stromes in der
Wicklung :2 ist eine Batterie 3 vorgesehen. Dieser Strom wird über eine Gasentladungsstrecke
q. mit Gittersteuerung geleitet. Dem Steuergitter dieser Gasentladungsröhre wird
der Spannungsabfall eines. in den Belastungsstromkreis des Generators i eingeschalteten
Widerstandes 5 zugeführt. Die Grobregelung der Generatorspannung erfolgt also- hier
in Abhängigkeit von dem Belastungsstrom. Für die Feinregelung mit Hilfe der Wicklung
2" ist in den Stromkreis dieser von einer Batterie 6 gespeisten Wicklung ein Ohmscher
Widerstand 7 eingeschaltet. Zu diesem Widerstand ist nun wieder eine bzw. sind mehrere
eäuen Verstärkersatz bildende elektrische Entladungsstrecken io parallel geschaltet,
deren Gitterspannung von einer Batterie 8 und einer dieser gegengeschalteten, der
Generatorspannung proportionalen Spannung geliefert wird. Diese letztere Spannung
wird an dem Widerstand 9, der an der Generatorspannung liegt, abgegriffen. Die Feinregelung
der Generatorspannung ist also eine statische, da ihr Eingriff von dem Vorhandensein
einer wenn auch nur äußerst'geringen Differenz zwischen der wirklich vorhandenen
Generatorspannung und ihrem Sollwert abhängig ist.
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Fig. 2 der Zeichnung zeigt eine etwas abgeänderte Schaltung gemäß
der Erfindung. Der Erregerstrom für den in der Spannung zu regelnden Generator i
wird hier von einer Hilfserregermaschine io geliefert. Die Grobregelung erfolgt
wieder über eine Entladungsstrecke q. von einem in den Belastungsstromkreis eingeschalteten
Widerstand 5 aus. Die Spannung dieses Widerstandes wird dem Gitter der Entladungsstrecke
q. zugeführt. Als konstante Gittervorspannung dient dabei eine Spannung, die an
einem von der Ankerspannung des Generators i gespeisten Widerstande i i abgegriffen
wird. Dies ist zulässig, weil durch den noch vorhandenen Feinregler die Generatorspannung
immer so genau konstant gehalten wird, daß sie für die Grobregelungseinrichtung
praktisch als konstant anzusehen ist. Der Strom der Entladungsstrecke q. wird von
der Ankerspannung des Generators i geliefert und durchfließt eine Hilfserregerwicklung
12 an der Erregermaschine io. Die Erregermaschine io besitzt außerdem eine Erregerwicklung
17, die über einen einstellbaren Widerstand i8 von ihrer Ankerspannung gespeist
wird. Für die Feinregelung ist in den von der Maschine io gespeisten Erregerkreis
des Generators i ein einstellbarer Widerstand 13 eingeschaltet, zu dem wieder der
Anodenstromkreis der Feinregelungssteuerröhre 14 parallel geschaltet ist. Der den
Anodenstrom steuernde Gitterkreis dieser Steuerröhre wird über eine Vorspannbatterie
15 von der Spannung eines Widerstandes 16 gesteuert, der an der Ankerspannung des
Generators i liegt. Es wird dabei an dem Widerstand 16 ein mittels Feinregelkontakte
einstellbarer Teil .der Gesamtspannung abgegriffen. Der für die Grobregelung dienende
Widerstand 5 kann auch der Widerstand der Wendepole oder der Kompoundwicklung des
Generators i sein.
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Bei der Anordnung nach Fig. 3 entspricht die Feinregelung mit dem
Widerstand 16 und dem Steuerrohr 14 der Anordnung nach Fig. 2. Der Anodenstrom der
Steuerröhre 14 speist einen einstellbaren Widerstand 17, zu dem parallel die Erregerwicklung
18 des Generators
i liegt. Für die Erzeugung des Stromes in der
Wicklung 18 ist in einem Stromkreis eine Gleichstromquelle i9 eingeschaltet. Für
die Grobregelung der. Spannung am Generator i ist noch eine zweite Erregerwicklung
2o vorgesehen, die über Gleichrichter von einer Wechselstr omquelle 21 gespeist
wird. Als Gleichrichter und gleichzeitig als von dem Belastungsstrom des Generätors
i gesteuertes Entladungsgefäß dient ein Quecksilberdampfrohr 22. Das Quecksilberdampfrohr
arbeitet mit der sogenannten Neigungssteuerung. Der veränderliche Widerstand dieser
Neigungssteuerung wird durch eine in der Radiotechnik gebräuchliche Elektronenröhre
23 gebildet, deren Steuergitter die Spannung des vom Belastungsstrom des Generators
durchflossenen Widerstandes 5 zugeführt wird. Als Gittervorspannung dient wieder
eine am Widerstand 16 abgegriffene Spannung. Die Speisung der Röhre 22 und damit
auch der Feldwicklung 2o von der Wechselstromquelle erfolgt über einen Transformator
24, der auch zwei Hilfswicklungen 25, 26 für die Wechselstromheizung der Kathode
der Röhre 23 und für die Speisung des Anodenstromkreises dieser Röhre besitzt. Zu
der Feldwicklung 2o, die mit einem gleich- . gerichteten Wechselstrom gespeist wird,
ist noch ein z. B. als Trockengleichrichter ausgebildeter Gleichrichter 27 parallel
geschaltet, der eine weitere Glättung des Stromes in der . Feldwicklung bewirkt.
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Fig. 4 der Zeichnung zeigt eine Anordnung, bei der für die Grobregelung
der Spannung eines Gleichstromgenerators zwei Ursachen der Spannungsschwankungen
benutzt werden, nämlich einerseits der Belastungsstrom des Generators, andererseits
:seine Drehzahl. Die Feinregelung ist in derselben Weise wie bei den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen ausgebildet, indem an dem Widerstand 16 die Generatorspannung
abgegriffen wird und über eine Verstärkeranordnung 14 auf den Erregerstromkreis
28 einwirkt, indem die Röhre 14 einen zu dem Widerstand 29 parallel geschalteten
variablen Widerstand darstellt. Für die Grobregelung, die auf die Erregerwicklung
2o des Generators wirkt, ist ebenso wie in Fig. 3 ein unstetig arbeitender gittergesteuerter
Gleichrichter 22 vorgesehen, der wieder mit der Neigungssteuerung arbeitet und in
derselben Weise vom. Transformator 24 gespeist wird. Dem Gitter der Elektronenröhre
23 der Neigungssteuerung wird jedoch außer einer dem Belastungsstrom pro- . portionalen
und am Widerstand 5 abgegriffenen Spannung noch in Reihenschaltung eine von der
Drehzahl abhängige und von einer Tachometerdynamo 30 gelieferte 'Spannung
zugeführt. Als konstante Gegenspannung dieser beiden variablen Steuerspannungen
dient wieder eine am Widerstand 16 abgegriffene Spannung. In die Verbindung zwischen
dem Widerstand 16 und dem Steuergitter der Röhre 23 ist die Ankerspannung der Tachometerdynamo
3o entweder ganz oder über den Ohmschen Regelwiderstand 31 zu einem bestimmten einstellbaren
Bruchteil eingeschaltet. 32 ist die an eine konstante Erregerquelle angeschlossene
Fremderregerwicklung der Tachometerdynamo. Die dem Steuergitter der Röhre 23 zugeführten
Spannungen ergeben sich, wenn man von der Kathode der Röhre 23 über den Widerstand
5, über den Widerstand 16 und .über die Tachometerdynam0 30 zum Steuergitter fortschreitet.
Bei der Anordnung nach Fig. 4 erzeugen steigender Belastungsstrom des Generators
und fallende Drehzahl an dem Gitter der Elektronenröhre 23 die gleiche Wirkung,
und zwar in derartigem Sinne, daß .dadurch der Erregerstrom in der Feldwicklung
2o verstärkt wird. Der Spannungsabfall am Widerstande 5 und die Spannung der Tachometerdynamo
sind so geschaltet, daß sich die von ihnen gesteuerte Gitterspannung für die Röhre
23 in gleichem Sinne ändert, wenn der Belastungsstrom größer wird und die Drehzahl
kleiner. Der in der Röhre 23 gesteuerte Anodenstrom wird dann kleiner. Man könnte
aber auch die Gitterspannungen des Rohres 25 derart hintereinanderschalten, daß
die Stromstärke in dem Rohr 23 dann anwächst, wenn der Belastungsstrom steigt und
die Drehzahl sinkt.
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Die bisherigen Ausführungsbeispiele zeigen nur die Regelung der Spannung
von Gleichstrommaschinen. In ähnlicher Weise könnten aber auch Gleichstrommaschinen
in der Drehzahl geregelt werden, wobei man für die Grobregelung wieder den Belastungsstrom
und für die Feinregelung etwa die Spannung einer Tachom.eterdynamo benutzen könnte.
Selbstverständlich kann man die Anordnung nach der Erfindung auch .für Wechselstrommaschinem,
benutzen, beispielsweise fwr die Regelung der Spannung einer Synchronmaschine. In
diesem Fall müßte die am Widerstande 16 der bisherigen Abbildungen abgegriffene
Spannung für die Feinregelung noch über eine Gleichrichteranordnung geführt werden.
Ebenso müßte bei der Zuführung der am Widerstande 5 abgegriffenen Spannung zum Steuergitter
darauf Rücksicht genommen werden, daß es sich um eine Wechselspannung handelt-Bei
der Regelung der Spannung von Wechselstrommaschinen ist noch zu berücksichtigen,
daß die Ursache einer Spannungsänderung nicht nur in der Stärke des Delastungsstromes
zu suchen ist, sondern auch in dessen Phasenlage: Bekanntlicli verursacht
ein
reiner Wirkstrom als Belastung mir einen verhältnismäßig geringen Spannungsabfall,
während ein induktiver Belastungsstrom eine starke Verminderung der Spannung, ein
kapazitiver Belastungsstrom hingegen eine Spannungserhöhung verursacht. Auf diesen
Einfluß des cos 99 der Synchronmaschine muß bei der Spannungsregelung Rücksicht
genommen werden, wenn die Grobregelung wieder in Abhängigkeit von dem Belastungsstrom
erfolgt. _Fig.5 der Zeichnung zeigt eine derartige Anordnung. Die Synchronmaschine
33 besitzt zwei Erregerwicklungen 34 und 35, die aber auch eine einzige Wicklung
bilden könnten. Die Wicklung 35 wird von einer Erregermaschine 36 gespeist. In diesem
Stromkreis ist ein Widerstand 37 und parallel dazu als veränderlicher Widerstand
ein Steuerrohr 38 geschaltet. Das Steuerrohr 38 dient für die Feinregelung der Spannung,
der Synchronmaschine. Es wird etwa in derselben Weise von dieser Spannung gesteuert
wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. Für die Grobregelung ist in den
Stromkreis der Erregerwicklung 34 eine gittergesteuerte Quecksilberdampfentladungsstrecke
39 eingeschaltet. Der Anodenstrom dieser gleichzeitig als Gleichrichter wirkenden
Entladungsstrecke und damit auch der Erregerstrom in der Wicklung 34 wird von einer
Sekundärwicklung des von der Maschinenspannung gespeisten Transformators 4o geliefert;
die Entladungsstrecke 39 arbeitet mit Neigungssteuerung; und als Vorröhre .dient
wieder eine in der Radiotechnik gebräuchliche Elektronenröhre4i. Die Anodenspannung
dieser Elektronenröhre wird ebenfalls von der Sekundärwicklung des Transformators
40 geliefert. Dem Steuergitter der Röhre 41 ist eine von dem Stromwandler 42 gelieferte
Spannung zugeführt. 43 ist eine Vorspannungsbatterie im Gitterstromkreis. Man sieht,
daß an der Röhre 41 einerseits die Anodenspannung, andererseits die steuernde Gitterspannung
eine Wechselspannung mit der Frequenz der Synchronmaschine ist. Die Stärke des Anodenstromes
in der Röhre 41 hängt dann von der gegenseitigen Phasenlage zwischen Anoden- und
Gitterspannung ab. Diese Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen ist nun
von der Phasenverschiebung zwischen dem Belastungsstrom der Synchronmaschine und
ihrer Klemmenspannung abhängig, so daß also der durch die Elektronenröhre 41 gesteuerte
Strom und damit auch der Erregerstrom in der Wicklung 34 verschieden groß ist, je
nachdem, welche Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung am Generator 33 herrscht.
Bei geeigneter Einstellung der Phasenverschiebung zwischen Anoden- und Gitterspannung
an der Röhre 41 kann bei- einem bestimmten cos p an der Maschine 33 daher erreicht
werden, daß die Spannung der Synchronmaschine 33 konstant bleibt, gleichgültig,
ob sie mit Wirk- oder vor- oder nacheilendem Blindstrom belastet ist.
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Fig. 6 zeigt in drei untereinanderliegenden Diagrammen die Wirkungsweise
der Anodenstromsteuerung im Rohr 41. Die Sinuslinie 44 stellt die Anodenspannung
dar; die Barunterliegenden gegeneinander um je 9o° verschobenen Sinuslinien 45,
46, 47 stellen die Gitterspannung des Rohres 41 dar, je nachdem die Synchronmaschine
induktiv, rein ohmisch oder rein kapazitiv belastet ist. Die Amplituden dieser drei
Gitterspannungen sind gleich, da für verschiedenen cos p dieselbe Stärke des Gesamtstromes
der Maschine 33 vorausgesetzt ist. Die Spannung 44 und die der induktiven Belastung
entsprechende Gitterspannung 45 sind miteinander in Phase. Dementsprechend ist dann
der durch das Rohr 41 fließende Anodenstrom am größten. Auch der Strom in der Wicklung
34 ist dann am, größten, und der durch die induktive Belastung hervorgerufene Spannungsabfall
wird durch eine Erregerstromverstärkung kompensiert. Die Gitterspannung 46 ist gegenüber
der Anodenspannung 44 um 90° versichohen; man erhält dabei einen wesentlich geringeren
Anodenstrom und auch einen geringeren Strom in der Wicklung 34. Dieser Strom ist
noch geringer, wenn für kapazitive Belastung zwischen Anodenspannung und Gitterspannung
47 eine r8oQige Phasenverschiebung besteht. Der Strom in der Erregerwicklung 34
ist dabei derart eingestellt, daß er an sich zur Erzeugung der normalen Netzspannung
bei Leerlauf der Maschine 33 nicht mehr ausreichen würde und daß er dementsprechend
die durch die kapazitive Belastung hervorgerufene Spannungserhöhung wieder auf den
normalen Wert reduziert. Die' in Fig. 6 unterhalb der Gitterspannungen 45, bis 47
eingezeichneten Stromkurven stellen die jeweiligen Anodenströme im Rohr 41 dar,
je nachdem, welche Phase die Gitterspannung besitzt. Die Stromkurven sind dazu ebenso
wie die entsprechenden Gitterspannungen strichpunktiert, strichliert - oder voll
ausgezogen. Die Gitterspannungen 45 bis 47 sind nach rechts hin mit abnehmbarer
Amplitude gezeichnet, dem entsprechen dann auch die Verrnin;derwnbgen der Anodenströme,
wie säe in den Barunterliegenden Kurven zum Ausdruck kommen. Man sieht, daß an den
Kurven der Anodenströme bei induktiver Belastung sich im wesentlichen eine Sinushalbwelle
ergibt, die bei Ohmscher"Belästung in eine unregelmäßige Kurve "mit einer Spitze
am rechten Ende übergeht, während bei kapazitiver Belastung
infolge
der Gittervorspannung nur ein gewisser Reststrom mit konstanter Amplitude verbleibt.
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Zur Herstellung der geeigneten Phasenlage der Gitterspannung im Verhältnis
zur Anodenspannung ist die Sekundärspannung des Stromwandlers 42 einer Parallelschaltung
von einer Induktivität 48 und einem Ohmschen Widerstand 49 zugeführt. Beide Widerstände
sind regelbar, und die Gitterspannung ist in Reihenschaltung mit der Vorspannung
43 beispielsweise an der Induktivität 48 abgegriffen. Die Regelbarkeit der Widerstände
48 und 49 ermöglicht eine weitgehende Einstellung der Phasenlage der Gitterspannung
gegenüber der Anodenspannung bei konstantem cos p an der Maschine 33.