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Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines Gleichstromgenerators
Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines
Gleichstromgenerators zwischen Leerlauf und einem bestimmten Wert der Belastung
sowie zur Stromregelung bei dieser Belastung. Derartige Schaltungsanordnungen werden
auch als Einrichtungen zur Ausführung von Überholregelungen bezeichnet und insbesondere
zur Ladung von Batterien verwendet.
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In einer bekannten Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichhaltung
mit Begrenzung des zulässigen Belastungsstromes wird der Regler durch einen besonderen
Ansprechkreis ergänzt, der bei Überschreiten seines Ansprechwertes stark in den
Regler eingreift und eine Strombegrenzung erzwingt. Der Ansprechkreis umfaßt dabei
eine Einrichtung zur :Messung des Stromes und Umformung desselben in eine diesem
proportionale Spannung, eine Spannungsvergleichsschaltung sowie eine nachgeschaltete
Verstärkerstufe. Dieser gesonderte Ansprechkreis bedingt dabei einen erheblichen
Aufwand.
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Ferner ist eine Schaltungsanordnung zur Spannungsgleichhaltung finit
Strombegrenzung für
Batterieladeeinrichtungen bekanntgeworden, beider
die Regelung mittels Magnetverstärker erfolgt. Bei dieser Einrichtung wird eine
Steuerwicklung des Magnetverstärkers vom Batterieladestrom und eine andere Steuerwicklung
von einem Strom durchflossen, der von zwei hintereinandergeschalteten Spannungsquellen
geliefert wird. Eine dieser Spannungsquellen erzeugt dabei einen dem Ladestrom proportionalen
Strom, während die andere einen der Ladespannung proportionalen Strom erzeugt. Diese
Hintereinanderschaltung der Spannungsquellen bewirkt, daß stets ein Einfluß des
Stromanteiles vorhanden ist und daß dieser - bei Regelung auf konstante Spannung
- durch die Rückführung des Batterieladestromes unwirksam gemacht werden muß. Dadurch,
daß bei dieser bekannten Anordnung die Regelung zunächst in Abhängigkeit von der
Spannung und vom Strom erfolgt und der Stromeinfluß mittels Störgrößenaufschaltung
unwirksam gemacht werden. muß, wird diese ebenfalls recht aufwendig.
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Weiter ist in einer älteren. Anordnung zur Verstellung beliebiger
Organe nach verschiedenen, insbesondere zwei wählbaren Funktionen, wobei stets der
größere der beiden Werte die Verstellung des Meß- oder Regelorgans bestimmt, vorgeschlagen
worden, die gewünschten. Gesetzmäßigkeiten durch mit dem Meßwert veränderliche Spannungen
nachzubilden und diese Spannungen. über Gleichrichter entgegengesetzter Durchlaßrichtung
parallel zu schalten, so daß stets die größere der beiden Spannungen, unverfälscht
die Meßgröße liefert. Gegenüber dieser unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
einmal insofern, als dort beiden Einflußgrößen je ein Gleichrichter zugeordnet ist,
während hier nur ein Gleichrichter zur Wirkung kommt. Dieser Unterschied stellt
jedoch nur eine geringfügige Abwandlung gegenüber der älteren Anordnung dar. Ein
wesentlicher Unterschied ergibt sich aber hinsichtlich der Gewinnung der Einflußgrößen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mit den Nachteilen
der bekannten Anordnungen nicht behaftete Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung
eines Gleichstromgenerators zwischen Leerlauf und einem bestimmten Wert der Belastung
sowie zur Stromregelung bei dieser Belastung. Erfindungsgemäß ist dabei die Meßwerkspule
des Reglers über einen Widerstand mit den Generatorklemmen verbunden, wobei ihr
über ein unsymmetrisch leitendes Element, z. B. einen Gleichrichter, ein Widerstand
parallel liegt, der über die Belastung ebenfalls mit den Generatorklemmen verbunden
ist. In vorteilhafter Weise wird damit eine einfache Anordnung zur Spannungsregelung
geschaffen, bei der die der Spannung proportionale Einflußgröße mittels Spannungsteilerschaltung
und die dem Strom proportionale Größe mittels Widerstand oder günstigerweise mittels
Wandler gewonnen wird.
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Die Erfindung eignet sich auch mit Vorteil zur Regelung elektrischer
Maschinen oder Anlagen in Abhängigkeit von mehr als zwei veränderlichen Größen.
Statt nur eines Vergleichswiderstandes sind dann mehrere vorgesehen, und die an
ihnen abfallenden Spannungen werden den beispielsweise an mehreren Meßwerkspulen
anliegenden Spannungen gegenübergestellt.
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Der verwendete elektrische Regler kann einer beliebigen Gattung angehören.
Voraussetzung ist lediglich, daß die von den verschiedenen Meßgrößen abgeleiteten
elektrischen Ströme im Sinne der Erfindung in den Meßspulen desselben zu einer komplexen
Größe überlagert werden können. Er ist im übrigen entsprechend den Verhältnissen
der zu regelnden Einrichtung auszuwählen.
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Im folgenden seien an Hand der in den Fig. i bis 3 dargestellten Schaltbilder
einige Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Dieselben zeigen nur die notwendigen
Elemente des Erfindungsgedankens. Insbesondere sind von dem Regler nur die Spulen
der Meßwerke dargestellt.
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Fig. i zeigt eine Anordnung zur Spannungsregelung eines nicht dargestellten
Gleichstromgenerators zwischen Leerlauf und der Belastung mit einem Strom I sowie
die Stromregelung bei gleicher Belastung. Die Meßwerkspule i des Reglers ist an
die Klemmen 2 und 3 des zu regelnden Generators angeschlossen, und- zwar unter Zwischenschaltung
eines Widerstandes q.. Der vom Generator gelieferte Strom fließt im wesentlichen
durch einen Parallelwiderstand 15 (5-6), der in Serie mit einem unsymmetrisch leitenden
System 7, z. B. einem Trockengleichrichter K, zwischen den Punkten 6, 8 parallel
zur Meßwerkspule i liegt. Die Leitung 6-8 verbindet also das Ende 6 des Parallelwiderstandes
mit jeweils einem Ende der Spule i sowie des Widerstandes d.. Zwischen dem Ende
6 und der Klemme 3 des Generators ist weiter ein veränderlicher Lastwiderstand RL
angeordnet. Dieser liegt parallel zum Widerstand q.. Es ergibt sich somit eine Brückenschaltung
mit den Zweigen aus den Widerständen 15 sowie RL einerseits und Meßwerkspule i sowie
Widerstand q. andererseits sowie dem unsymmetrisch leitenden System 7 im Diagonalzweig.
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Ist die Klemme.2 positiv, fließt der Strom über 2 - 5 - 6- 3 durch
den Parallelwiderstand 15 und über :2-5-8-3 durch den Reglermeßkreis. Das
unsymmetrisch leitende Element 7 ist so geschaltet, daß es in der Richtung 6 - 7
- 8 den Strom sperrt. Solange nun die Spannung über dem Kreis 5 - i - 8 höher ist
als die Spannung über dem Widerstand 15, kann kein Strom durch den Gleichrichter
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fließen. Die Reglerspule ist also allein der Wirkung der Klemmenspannung
des Generators ausgesetzt, und der Regler regelt diese Spannung auf den eingestellten
Wert.
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Verringert sich nun der Lastwiderstand RL, so steigt der Strom I an.
Wird nun der Spannungsabfall r-I am Widerstand 15 größer als der Spannungsabfall,r'-i
an der Meßwerkspule, so wird der Trockengleichrichter 7 aufgesteuert, und durch
die Meßwerkspule i fließt ein dem Spannungsabfall r-I und damit I proportionaler
Strom. Die zuerst von einem der Generatorspannung proportionalen Strom
durchflossene
Meßwerkspule wird nun also bei Erreichen eines bestimmten Wertes des Stromes I,
der eine Aufsteuerung des Trockengleichrichters 7 bewirkt, von einem diesem proportionalen
Strom durchflossen.
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Maßgebend für den Übergang von Spannungsregelung auf Stromregelung
ist dabei in erster Linie die Größe des Belastungswiderstandes RL bzw. das Verhältnis
des veränderlichen Widerstandes RL zum konstanten Widerstand R bzw. 4.. Während
nämlich die sonstigen Widerstände (15, i, q.) der Brückenanordnung konstant sind,
ist RL allein veränderlich. RL bestimmt somit die Polarität der Spannung zwischen
6 und 8 und damit an dem unsymmetrisch leitenden Element 7. Solange RL>R ist, fließt
daher durch die Spule i im wesentlichen ein der Generatorspannung proportionaler
Strom. Der Trockengleichrichter 7 sperrt in diesem Fall. Ist jedoch RLGR, fließt
durch die Spule i und den nunmehr leitenden Gleichrichter 7 ein im wesentlichen
dem Generatorstrom proportionaler Strom. Der Übergang von Spannungs- zu Stromregelung
erfolgt, sobald der Spannungsabfall an R größer wird als der an RL. Er ist deshalb
plötzlich, weil 7 ein unsymmetrisch leitendes Element ist, das plötzlich leitend
wird und von dann ab das Ende 8 der Spule i unmittelbar mit dem Ende 6 des Widerstandes
15 verbindet. Vor dem Leitendwerden des Elementes 7 war dagegen die Verbindung zwischen
6 und 8 unterbrochen, d. h., die Stromwege über i und 4 einerseits und über 15 und
RL andererseits waren völlig getrennt.
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Der Regler regelt daher erst die Generatorspannung auf einen vorgegebenen
Wert und, sobald durch den Gleichrichter 7 ein Strom in Richtung 8 - 7 - 6 fließt,
den Strom auf einen eingestellten Wert. Der Regler kann dabei z. B. auf einen Widerstand
im Erregerkreis des Generators arbeiten.
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Wenn der Regler zwei Meßwerkspulen, eine feste und eine bewegliche,
enthält, können diese an Stelle der Spule i in der Schaltung nach Fig. i in Reihe
liegen. Die Regelweise dieser Anordnung ist nicht auf das beschriebene Beispiel
beschränkt. Es kann auch die Spannungsquelle für U von der Stromquelle für I getrennt
sein, wenn nur beide einen gemeinsamen Punkt in der Schaltung haben.
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Andererseits kann man auch mehrere Spannungsquellen sowie den Widerstand
zwischen 5 und 6 parallel zur Meßwerkspule schalten, wenn alle einen Punkt gemeinsam
haben können. Jede dieser Spannungsquellen wird dann an den Punkt 8 über je ein
unsymmetrisch leitendes Glied, wie den Gleichrichter 7, angeschlossen.
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Wenn der Regler mehrere Meßwerkspulen besitzt, kann jede derselben
getrennt von je einer Anordnung gemäß Fig. i gespeist werden. Auch können veränderliche
Hilfsgrößen mittels anderer Mittel eingeführt werden.
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Es kann vorkommen, daß der Relativwert der Größen U, r, t',
R die praktische Ausführung der Schaltung nach Fig. i ausschließt, da man zu Einzelteilen
mit unsinnigen Dimensionen kommen würde.
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Dies ist z. B. der Fall, wenn der vorn Generator gelieferte Strom
sehr erheblich wird. In solchem Fall wird zweckmäßig der Parallelwiderstand zwischen
5 und 6 durch einen Gleichstromtransformator ersetzt. Fig. 2 zeigt ein Beispiel
einer solchen Anordnung. Die Spule i des Reglers ist, wie zuvor, über einen Widerstand
q. an die Klemmen des Generators angeschlossen. Der Widerstand zwischen 5 und 6
der Fig. i ist ersetzt durch eine Induktivität g., die vom Generatorstrom oder einem
Teilstrom durchflossen wird. Sie liegt auf dem Mittelkern einer Drossel io, deren
beide Außenkerne Wicklungen i i und 12 tragen, welche mit einem Gleichrichter 14.
und einem Speisetransformator 13 in Reihe geschaltet sind. In bekannter Weise erhält
der Gleichrichter durch die mit dem Strom in der Wicklung g schwankende Sättigung
des Magnetkreises io einen schwankenden Strom. Dieser wird von einem Widerstand
15 aufgenommen, welcher auf die Meßwerkspule i des Reglers die gleiche Wirkung ausübt
wie der Widerstand zwischen 5 und 6 der Fig. i. Der Transformator 13 wird von einer
beliebigen Wechselstromquelle konstanter Spannung gespeist. Die Anordnung gestattet
sinngemäß die gleichen Varianten wie die zu Fig. i angeführten.
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Die Erfindung ist, wie gesagt, nicht an eine bestimmte Reglertype
gebunden. Am besten bewährt sich ein Schwingkontaktregler. Die Meßwerkspule kann
nämlich dann - bei Gleichstrom - durch den beweglichen Teil allein gebildet werden,
dessen geringe Stromaufnahme die Anwendung der Erfindung erleichtert; denn diese
gestattet eine beträchtliche Reduzierung der spannungsliefernden Teile, also des
Widerstandes 15 (Fig. i) und des Gleichstromtransformators g-14 (Fig. 2).
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Auf Grund seiner besonderen Anordnung ist ein solcher Regler, wenn
man den Einfluß der Rückstellfeder vernachlässigt, bei stromloser Spule in der Mittellage
im Gleichgewicht. Das Meßorgan eines solchen Reglers kann aus zwei Spulen bestehen,
einer beweglichen und einer festen Spule. Zwischen diesen entsteht eine- anziehende
oder abstoßende Kraft als Funktion des Produkts der Ströme, welche jede der Spulen
durchfließen. Diese Eigenschaft gestattet die Lösung bestimmter komplexer Probleme,
wie die Regelung auf konstante Last als Produkt von Strom und Spannung. Man kann
also damit bei Anwendung der Erfindung der Charakteristik eines Generators eine
Regelung abhängig von der Leistung aufdrücken.
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Die Schaltung nach Fig.3 ist zur Anwendung für einen Sonderfall bestimmt.
Die Induktivität i sei die bewegliche und 23 die feste Spule eines Reglers, oder
umgekehrt. Der Stromzweig 1-23-q. steht unter der Wirkung der Klemmenspannung des
zu regelnden Generators. Er bewirkt auf Grund der Eigenschaften des Gleichrichters
7 eine Regelung auf konstante Spannung bis zu dem Moment, in dem die Spannungsdifferenz
zwischen den Klemmen des zum Gleichstromtransformator
9-14-i5 gehörenden
Widerstandes i5 groß genug wird, um die Betätigung der Spule i zu übernehmen. Von
diesem Moment an ist der Strom in i eine Funktion des Stromes in der Wicklung 9
des Transformators, während der Strom in 23 eine Funktion der Klemmenspannung wird.
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Der Regler regelt dann in Abhängigkeit von der Leistung U-I. Wenn
dann der Gleichstromzweig 9-24-25 einen hinreichend hohen Strom durch den Widerstand
25 liefert, wird über den Gleichrichter 26 zugleich der Strom im Transformator 9
- i4- i 5 und die Klemmenspannung über 2-3 für die Wirkung der beiden Reglerspulen
i und 23 erhöht, welche beide unter dem Einfluß des Transformators 9-24-25 stehen.
Das ergibt aber, daß die Regelung eine Funktion allein der Stromstärkewird. Die
beiden Transformatoren g -24-25 und 9-14-15 werden von der gleichen Wechselspannungsquelle
gespeist. Es können aber auch getrennte Spannungsquellen Anwendung finden.
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Die beschriebenen Beispiele beziehen sich auf die Regelung von Gleichstromgeneratoren.
Bei Wechselstrom liefernden Anlagen kann der Wechselstrom leicht mit bekannten Mitteln
gleichgerichtet werden, so daß die gleichen Anordnungen auch zur Regelung von Wechselstromgeneratoren
zu verwenden sind.