DE975810C - Einrichtung zur frequenzunabhaengigen elektrischen Regelung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur frequenzunabhängigen elektrischen Regelung, bei der die Regelwirkung durch die Abweichung einer der geregelten Größe entsprechenden elekirischen Größe von einer Gleichstromvergleichsgröße bedingt wird, welche von einem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen elektromagnetischen Spannungsgleichhalter geliefert wird.

Bei einer Stromversorgungsanlage an Kraftfahrzeugen mit einem umlaufenden Wechselstromgenerator als Spannungsquelle und Ladung der Batterie mittels eines Gleichrichters ist zur selbsttätigen Spannungsregelung bei den Drehzahländerungen des Generators die Speisung des Gleichrichters über eine Drossel bekanntgeworden. Hierbei ist der Aufbau des Eisenkernes dieser Drossel derart gewählt, daß innerhalb des Frequenzbereiches, der dem für die Batterieladung praktisch in Frage kommenden Drehzahlbereich des Wechselstromgenerators von etwa 50 bis ioo°/o der maximalen Drehzahl entspricht, die Vergrößerung der Wirkkomponente der vom Wechselstromgenerator abgegebenen Spannung durch das mit steigender Frequenz immer stärker werdende Anwachsen der Wirbelstromverluste der Drossel kompensiert wird, so daß der Gleichrichter bei

209 685/7

allen Drehzahlen des angegebenen Bereiches an der gleichen Spannung liegt. Diese bekannte Anordnung arbeitet also mit einer Steigerung der Wirbelstromverluste der Drosselspule für die Erzielung einer Spannungsgleichhaltung, so daß beträchtliche Wirkverluste in Kauf genommen werden müssen.

Nach der vorliegenden Erfindung dient in einer Einrichtung zur frequenzunabhängigen Regelung ίο der eingangs angeführten Art als Vergleichsgröße der gleichgerichtete Strom einer an die Ausgangsklemmen eines magnetischen Spannungsgleichhalters angeschlossenen Drosselspule, deren Stromkreis einen gegenüber seinem induktiven Widerstand derart kleinen ohmschen Widerstand besitzt, daß die Stromaufnahme der Drosselspule auch bei Frequenzänderungen der Ausgangsspannung des Spannungsgleichhalters konstant bleibt.

Die Erfindung geht hierbei von der Aufgabestellung aus, unter Beibehaltung eines magnetischen Spannungsgleichhalters trotz dessen Eigenart, daß seine Ausgangsspannung von der Frequenz der speisenden Wechselspannung abhängig ist, für einen elektrischen Regler eine Vergleichsgröße zu schaffen, die von der Frequenz, mit der der Spannungsgleichhalter gespeist wird, praktisch unabhängig ist. Sie benutzt hierbei die Erkenntnis, daß ein solcher Spannungsgleichhalter ohne Parallelkondensator, wie er für die Zwecke der Erfindung in erster Linie in Frage kommt, eine Ausgangsspannung liefert, die sich proportional mit der Frequenz ändert, und andererseits die Tatsache, daß die Stromaufnahme einer Drosselspule einerseits proportional der ihr angelegten Spannung und andererseits umgekehrt proportional ihrem induktiven Widerstand, letzterer aber wiederum proportional der Frequenz ist. Ändern sich also Spannung und Frequenz gleichsinnig und im gleichen Verhältnis, so bleibt damit die Stromaufnahme der Drossel konstant. Unter Ausnutzung dieser Tatsachen wird bei der Erfindung zur Schaffung einer frequenzunabhängigen Vergleichsgröße nicht unmittelbar eine Spannung, sondern zunächst ein Strom ausgenutzt, der allerdings mittels eines von ihm durchflossenen Widerstandes wieder in eine entsprechende Spannung verwandelt werden kann. Zweckmäßig wird aber der Strom als solcher als Vergleichsgröße benutzt und dementsprechend auch mit einem Strom verglichen. Es muß dann also die zu regelnde Größe ebenfalls durch einen Strom abgebildet werden. Auf die Steuerspulen des eigentlichen Reglers wird dann die Differenz zwischen dem konstanten Vergleichsstrom und dem mit der Regelgröße veränderlichen Strom zur Einwirkung gebracht. Dabei können für beide Ströme getrennte Stromkreise und getrennte Steuerwicklungen auf dem Regelorgan des Reglers vorgesehen werden. Man kann aber auch eine Stromverzweigüngsschaltung anwenden, so daß nicht die Differenz der Amperewindungen, sondern die Differenz der Ströme an sich gebildet wird. Man spart im letzteren Falle Wickelraum für die Steuerwickluhg des Reglers. Welcher Art der Regler im übrigen ist, ist für die Erfindung belanglos. Besonders vorteilhaft dürfte die Erfindung jedoch für solche Regler sein, bei denen als Regelorgan eine durch Gleichstrom vormagnetisierte Drosselspule dient.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In Fig. 1 bedeutet 1 den gesättigten und 2 den ungesättigten Transformator, die zusammen den elektromagnetischen Spannungsgleichhalter bilden. In dem Ausgangskreis des Spannungsgleichhalters liegt die Luftspaltdrosselspule 3, welche, wie schon erwähnt, unter den oben angeführten Bedingungen einen von Frequenzänderungen unabhängigen Strom aufnimmt. Dieser Vergleichsstrom, der mit J₁ bezeichnet werden möge, wird in der Hilfsgleichrichteranordnung 4 gleichgerichtet. Der Gleichstromkreis der Hilfsgleichrichteranordnung 4 ist an die beiden Verzweigungspunkte α und b eines Stromkreises angeschlossen, in welchem die Steuerwicklung 5 des eigentlichen Regelorgans des Reglers, im vorliegenden Fall einer gleichstromvormagnetisierten Drosselspule, eingeschaltet ist. An die Klemmen P und N ist die der geregelten Größe entsprechende bzw. diese selbst bildende Gleichspannung U_R angelegt. Diese Spannung liegt somit in einem zweiten Zweig des die Steuerwicklung 5 einschließenden Stromkreises, in welchen außerdem ein Vorwiderstand 6 geschaltet ist. Der in diesem zweiten Stromkreisteil, also über den Vorwiderstand 6, fließende Strom möge mit J₂ bezeichnet werden. Dann fließt, wenn die Ströme J₁ und J₂ voneinander verschieden sind, in der Steuerwicklung 5 der Strom J₂-J₁.

Voraussetzung dafür, daß der Strom J₁ tatsächlich konstant bleibt, ist, daß der ohmsche Widerstand des Stromkreises der Luftspaltdrosselspule 3 klein ist gegenüber seinem induktiven Widerstand. Der Einfluß des ohmschen Widerstandes ist jedoch deshalb nicht sehr störend, weil ohmscher und induktiver Spannungsabfall um 90⁰ gegeneinander phasenverschoben sind. Es ergibt sich bereits bei einem Verhältnis des ohmschen zum induktiven Spannungsabfall von 14:100, daß 99% der Ausgangsspannung des Spannungsgleichhalters als induktiver Spannungsabfall auftreten. Da sich der ohmsche Spannungsabfall verhältnisgleich mit dem Strom ändert, bleibt der durch ihn hervorgerufene Fehler vernachlässigbar klein.

Wenn der Strom J₂ gleich dem Strom Z₁ ist, besitzt die Spannung U% bzw. die diese Spannung bestimmende Regelgröße ihren Sollwert. Der Spannungsabfall an dem Vorwiderstand 6 ist dann gleich der Regelspannung U_R, so daß zwischen den Verzweigungspunkten α und b keine Spannung vorhanden ist. Die an den Punkten α und b angeschlossene Steuerwicklung 5 des Reglers bleibt also stromlos. Weicht dagegen die Regelspannung von der Sollspannung ab, so fließen durch die Steuerwicklung 5 Steuerströme, welche die Regelspannung dem Sollwert wieder anzugleichen versuchen. Es ist in diesem Falle, wenn mit R₅ bzw. R₆ die ohmschen Widerstandswerte des Wider-

Standes 6 bzw. der Steuerwicklung 5 bezeichnet werden,

Uz = J₂-R₁. +(J₂-J₁). R₅.

Wenn J₁ = Z₂ wird, ist

Uh = J₂-Rq = J₁- R₆.

Steigt die Spannung U_R, so wird J^>J_X und damit das zweite Glied der ersten Gleichung positiv. Der Steuerstrom fließt von dem Verzweigungspunkt α nach dem Verzweigungspunkt b. Ist die Spannung U_R kleiner als der Sollwert, so wird J₂ <C J₁, das zweite Glied der ersten Gleichung wird negativ, und der Steuerstrom fließt von dem Verzweigungspunkt b nach dem Verzweigungspunkt a. Bei dieser einfachsten Ausführung der Erfindung kann also ein Steuerstrom in der einen oder anderen Richtung stets nur dann fließen, wenn die Regelspannung von ihrem Sollwert etwas abweicht. Es tritt also ein Regelfehler auf, der von der Größe des Steuerstromes abhängig ist.

Dieser Regelfehler läßt sich verkleinern, wenn an die Stelle der Luftspaltdrosselspule 3 eine Drosselspule gesetzt wird, die von dem Steuerstrom zusätzlich vormagnetisiert wird. Damit läßt sich auch bei gleichem Aufwand die Steuerleistung (Z₂-Z₁)² · -R₃ vergrößern. Hierfür zeigt Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel.

Die Transformatoren des Spannungsgleichhalters sind wiederum mit 1 und 2 bezeichnet. An den Punkten P und N liegt wie vorher die Regelspannung U_R und zwischen den Punkten g und h die Steuerwicklung 5. Die an die Ausgangsklemmen des Spannungsgleichhalters angeschlossene Drosselspule ist hier in zwei Teildrosselspulen mit den Arbeitswicklungen 7 und 8 aufgelöst, welche in die Ventilzweige der zur Gleichrichtung des Drosselspulenstromes dienenden Hilfsgleichrichteranordnung 4 so eingeschaltet sind, daß jede Arbeitswicklung nur von einem Halbwellenstrom durchflossen und daher durch dessen Gleichstromkomponente bereits vormagnetisiert wird. Dabei fließen über die eine dieser Arbeitswicklungen nur die positiven, über die andere nur die negativen Stromhalbwellen. Der Steuerstrom, der der Steuerwicklung 5 zugeführt wird, fließt zu einem Teil über den Widerstand 9, zu einem anderen Teil aber über Vormagnetisierungswicklungen der Drosselspulen mit den Arbeitswicklungen 7 und 8, welche entsprechend mit 7' und 8' bezeichnet sind. Zwischen den Punkten c und d sowie e und f der Vormagnetisierungswicklungen 7' und 8' liegende Querverbindungen, durch welche gewisse Teile der zu verschiedenen Teildrosselspulen gehörigen Vormagnetisierungswicklungen unmittelbar zueinander parallel geschaltet werden, sollen eine Herabsetzung der Sperrbeanspruchung der Ventile der Hilfsgleichrichteranordnung 4 bewirken. Durch die zusätzliche Vormagnetisierung der Teildrosselspulen mit den Arbeitswicklungen 7 und 8 in Abhängigkeit von dem Steuerstrom werden die Änderungen des ohmschen Spannungsabfalles in dem Steuerstromkreis bei veränderlichem Steuerstrom kompensiert, so daß der Steuerstrom bei konstanter Regelspannung innerhalb eines bestimmten Bereiches jeden Wert annehmen kann. Eine Abweichung der Regelspannung von ihrem Sollwert zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Steuerstromes ist also nicht mehr erforderlich.

Läßt man zunächst einmal die Teile 13 bis 16 außer acht, so entspricht die Reihenschaltung der beiden Widerstände 10 und 11 in dem von der Regelspannung U_R gespeisten Stromkreis dem Vorwiderstand 6 in Fig. 1. Es läßt sich zeigen, daß die günstigsten Verhältnisse dann erreicht werden, wenn der ohmsche Widerstand des S teuer Stromkreises, d. h. also des Stromkreises zwischen den beiden Verzweigungspunkten α und b, gleich dem ohmschen Widerstand des nur von dem von der Regelgröße abhängigen Strom durchflossenen Stromkreisteiles ist. Wenn nun der letztgenannte Widerstand zum Zwecke einer Änderung des Sollwertes geändert wird, so ist es zur Aufrechterhaltung der günstigsten Verhältnisse erforderlich, auch den Widerstand des Steuerstromkreises entsprechend mitzuverändern. Aus diesem Grund ist mit dem Einstellorgan des Widerstandes 11, welcher zur Sollwerteinstellung dient, das Einstellorgan des Widerstandes 12, der im Steuerstromkreis liegt, gekuppelt, so daß sich die Widerstände beider Stromkreise um den gleichen Betrag ändern. Die Unabhängigkeit der Regelspannung von dem Steuerstrom wird durch Verändern des Widerstandes 9 einmalig eingestellt.

Die weiteren im Schaltbild dargestellten Einrichtungen 13 bis 16 dienen dazu, bei Erreichung eines bestimmten Belastungsstromes eine Verminderung der Regelspannung herbeizuführen bzw. nach Umlegen des Umschalters 15 nach links eine steil abfallende Spannungsstromkennlinie auszuregeln. Dabei ist angenommen, daß es sich um die Regelung eines Gleichrichters, insbesondere eines Ladegleichrichters für Batterien, handelt. Die Hilfsgleichrichteranordnung 16 wird von einem in Fig. 2 nicht dargestellten, an die Klemmen u und ν angeschlossenen Stromwandler gespeist, der im Hauptstromkreis des zu regelnden Gleichrichters liegt. Ist der Umschalter 15 nach rechts gelegt, so ist der Widerstand 14 kurzgeschlossen und der Widerstand 13 abgeschaltet. Es liegt dann die Hilfsgleichrichteranordnung 16 gleichsinnig in Reihe mit der an die Punkte/³ und N angeschlossenen Regelspannung U_R. Sobald der dem Belastungsstrom des geregelten Gleichrichters entsprechende, von der Hilfsgleichrichteranordnung 16 gleichgerichtete Strom im Begriff ist, größer zu werden als der bisher von der Regelspannung U_R getriebene Strom, übernimmt die Hilfsgleichrichteranordnung 16 die weitere Speisung des Widerstandes 10, und die Regelspannung U_R geht entsprechend zurück. Es wird also eine Kennlinie ausgeregelt, gemäß der bis zu einem bestimmten Belastungsstrom die Regelspannung U_R konstant bleibt, während bei Überschreitung dieses Be- _ia5 lastungsstromes die Regelspannung absinkt.

Wird der Umschalter 15 nach links gelegt, so liegt in Reihe mit der Hilfsgleichrichteranordnung der Widerstand 14, was eine Erhöhung der Regelspannung U^ zur Folge hat. Der Widerstand 13 liegt jetzt parallel zu der Reihenschaltung aus der Hilfsgleichrichteranordnung und dem Widerstand 14. Hierdurch wird die Regelspannung kleiner und außerdem abhängig von dem Belastungsstrom des geregelten Gleichrichters. Sind die beiden Widerstände 13 und 14 einander gleich, so ist die Erhöhung der Regelspannung bei dem Belastungsstrom Null nur halb so groß, wie sie sich durch den Widerstand 14 allein einstellen würde. Mit zunehmendem Belastungsstrom, also mit zunehmendem Strom des an die Wechselstromklemmen u und ν der Hilfsgleichrichteranordnung 16 angeschlossenen Stromwandlers, sinkt die Regelspannung. Bei Nennstrom werden die Spannungen an der Hilfsgleichrichteranordnung 16 und dem Widerstand 14 einander gleich, so daß dann die Regelspannung denselben Wert erreicht, der auch ohne die Teile 13 und 16 auftreten würde.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur frequenzunabhängigen elektrischen Regelung, bei der die Regelwirkung durch die Abweichung einer der geregelten Größe entsprechenden elektrischen Größe von einer Gleichstromvergleichsgröße bedingt wird, welche von einem an ein Wechselstromnetz angeschlossenen elektromagnetischen Spannungsgleichhalter geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsgröße der gleichgerichtete Strom einer an die Ausgangsklemmen des Spannungsgleichhalters angeschlossenen Drosselspule dient, deren Stromkreis einen gegenüber seinem induktiven Widerstand derart kleinen ohmschen Widerstand besitzt, daß die Stromaufnahme der Drosselspule auch bei Frequenzänderungen der Ausgangsspannung des Spannungsgleichhalters konstant bleibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklung des Reglers in einen verzweigten Stromkreis, in dessen einem Zweig der Vergleichsstrom und in dessen anderem Zweig ein der geregelten Größe entsprechender Gleichstrom fließt, derart geschaltet ist, daß der sie durchfließende Steuerstrom gleich der Differenz dieser beiden Ströme ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstrom durch Vormagnetisierung der Drosselspule in Abhängigkeit von dem Steuerstrom oder einem Teil davon derart beeinflußt wird, daß die einer Änderung des Steuerstromes entsprechende Änderung des ohmschen Spannungsabfalles in dem Steuerstromkreis dadurch zumindest zum Teil kompensiert wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule zusätzlich durch den gleichgerichteten Strom ihrer Hauptwicklungen vormagnetisiert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß . die Drosselspule aus zwei Teildrosselspulen besteht, die in verschiedenen Ventilzweigen der den Vergleichsstrom gleichrichtenden Hilfsgleichrichteranordnung derart liegen, daß die eine Teildrosselspule nur von den positiven, die andere nur von den negativen Stromhalbwellen durchflossen wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungswicklungen beider Teildrosselspulen miteinander in Reihe geschaltet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Vormagnetisierungswicklung der einen Teildrosselspule zu einem entsprechenden Teil der Vormagnetisierungswicklung der anderen Teildrosselspule durch eine zusätzliche Verbindung parallel geschaltet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand des von dem Steuerstrom durchflossenen Teiles des verzweigten Stromkreises etwa gleich ist dem ohmschen Widerstand des nur von dem der Regelgröße entsprechenden Gleichstrom durchflossenen Stromkreisteiles und daß eine zum Zwecke der Sollwerteinstellung in dem letzteren Stromkreisteil vorgenommene Widerstandsänderung durch Kupplung der Widerstände eine gleich große Widerstandsänderung auch in dem Steuerstromkreis bewirkt.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden zur belastungsabhängigen Spannungsregelung eines Gleichrichters, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Spannung in bezug auf den Eingangskreis des Reglers mit einer Hilfsgleichrichteranordnung gleichsinnig in Reihe geschaltet ist, die von einem primärseitig von dem Wechselstrom des Hauptgleichrichters durchflossenen Stromwandler gespeist wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 9 zur Spannungsregelung eines Gleichrichters nach einer stetig abfallenden Spannungsstromkennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgleichrichteranordnung in bezug auf den Eingangskreis des Reglers mit einem Widerstand in Reihe liegt und diese Reihenschaltung durch einen weiteren Widerstand überbrückt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 655 693, 671 515, 127, 689512;

USA.-Patentschriften Nr. 2 114 827, 2179299; Dissertation von U. Lamm, »TheTransductor«,

Stockholm (1943), S. 23.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

ι 209 685/7 9.