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Einrichtung zur Erfassung der Abweichungen einer sich ändernden elektrischen
Größe (Istgröße) von einer anderen elektrischen Größe (Sollgröße) Zur Regelung von
Wechselspannungen werden meistens Regeltransformatoren oder Drehtransformatoren
verwendet. Handelt es sich darum, sowohl eine Spannung sehr genau konstant als auch
die Regelgeschwindigkeit sehr hoch zu halten, so benutzt man als Regelorgane sogenannte
Schnellregler, z. B. die sogenannten Öldruckregler. Mit diesen Regeleinrichtungen
läßt sich jedoch nur eine gewisse Genauigkeit erreichen, die ihre unterste Grenze
etwa bei i °/,o Spannungsdifferenz hat.
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Es sind schon Regeleinrichtungen bekanntgeworden, bei denen Elektronenröhren
verwendet werden. Die Elektronenröhre wird selbst als Ansprechorgan benutzt und
läßt die Änderung der Heiz-, Gitter- oder Anodenspannung auf das Anzeige- oder Regelorgan
einwirken. Diese Anordnung ist verhältnismäßig träge, weil die Heizspannung den
Anodenstrom sehr stark beeinflußt und die Temperatur des Heizfadens den Spannungsänderungen
nacheilt. Bei anderen bekannten Regeleinrichtungen mit Elektronenröhren wird die
gleichgerichtete Spannung des zu regelnden Netzes gegen eine GleichstrombäLtterie
konstanter Spannung geschaltet und durch die auftretende Spannungsdifferenz das
Gitter der ersten Röhre beeinflußt. Der gegebenenfalls noch durch einen Röhrenverstärker
verstärkte Anodenstrom wird dazu benutzt, um den Erregerstrom eines Zusatzgenerators
zu liefern, der zur Steuerung dient. Will man mit einer solchen Regeleinrichtung
beispielsweise einen Regelbereich von -I- ioo/o bestreichen und eine Regelgenauigkeit
von -f- o,io/o erreichen, so muß die Änderung von 0,1% der Spannung genügen, um
aus dem letzten Elektronenrohr den vollen Erregerstrom des Zusatzgenerators herauszuholen.
Man benötigt für eine derartige Anordnung also sehr große und teure Röhren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung
zur Erfassung der Abweichungen einer sich ändernden elektrischen Größe (Istgröße)
von einer anderen elektrischen Größe (Sollgröße), insbesondere der Abweichungen
zweier Wechselspannungen voneinander, vorzugsweise zur Betätigung einer Regeleinrichtung,
mit Hilfe von Elektronenröhren zu schaffen, die ohne einen Zusatzgenerator und große
Elektronenröhren auskommt und trotzdem die Verstärkungsmöglichkeiten der Elektronenröhre
voll ausnutzt. Erfindungsgemäß werden die Abweichungen, gegebenenfalls unter vorhergehender
Verstärkung, einer z. B. aus Kondensatoren und Widerständen bestehenden Einrichtung
(Siebschaltung) zugeführt, die von Hilfsspannungen, welche die gleiche oder entgegengesetzte
Richtung und eine der Ist- oder
Sollgröße proportionale Größe besitzen,
gesteuert wird und die nach Größe und Richtung die Abweichungen aussondert. Diese
Einrichtung kann im wesentlichen aus einer gitterge., steuerten Gegentaktgleichrichterschaltung
.Ye.. stehen, die eine der Anodenspannung proporti= onale und bei positiver Anodenspannung
notmalerweise negative Gittervorspannung haben kann, die nur bei Auftreten einer
Abweichung durch eine positive; mit der Abweichung in Phase liegende und ihre proportionale
Spannung aufgehoben wird.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber den bekannten Regelanordnungen
mit Elektronenröhren besteht darin, daß durch den Anodenstrom der Elektronenröhre
unmittelbar ein Regelorgan betätigt wird, welches die Spannung auf den normalen
Wert regelt. Von dem Elektronenrohr ist also nur so viel Energie aufzuwenden, als
zur Betätigung des Regelorgans erforderlich ist. Wie groß der gesamte Regelbereich
gewählt wird, ist dabei gleichgültig. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen keine Batterie gebraucht wird,
sondern daß ein normaler Wechselstromgenerator mit konstanter Drehzahl und einem
Dauermagneten verwendet werden kann. Wenn man bei einer solchen Maschine den Stromverlauf
über Schleifringe vermeidet, und wenn man die Maschine in ausgeregeltem Zustand
nicht belastet, so läßt sich eine absolut konstante Wechsel- oder Drehspannung herstellen.
Ferner kann man bei einer Regeleinrichtung gemäß der Erfindung ein Regelorgan benutzen,
das schon potentielle Energie enthält, so daß Trägheitsmomente der zu bewegenden
Massen schnell überwunden werden können.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Die Abb. i zeigt eine Regeleinrichtung. Ein Wechselstromtransformator, von dem lediglich
die Sekundärwicklung ii gezeichnet ist, liegt an der zu regelnden Istspannung. Dieser
Wicklung ii entgegengeschaltet ist die Sollspannung eines Wechselstromgenerators
12, der eine konstante Erregung durch einen Dauermagneten erhält und der von einem
Synchronmotor angetrieben wird, welcher aus einem Netz konstanter Frequenz gespeist
ist. Im ausgeregelten Zustand ist die Spannung des Generators i2 gleich der Spannung
an der Wicklung ii. Die Klemme 13 der Transformatorwicklung ii liegt an der Heizung
14. eines Elektronenrohres 15. An der Klemme 16 des Generators i2 liegt das Gitter
ig der Elektronenröhre 15. Die Anodenspannung für die Elektronenröhre 15 wird aus
einer beliebigen Gleichstromquelle 17 entnommen, die nicht konstant zu sein braucht.
Beispielsweise kann zur Lieferung der Anodenspannung eine in der Radiotechnik übliche
Netzanode verwendet werden. Im Anodenkreis liegt ein hochohmiger Widerstand 18.
Wenn die Istspannung der Transformatorwicklung ii von der Sollspannung :des Generators
12 abweicht, so wird das Gitter ig ,'es Elektronenrohres 15 durch Wechselspan-;
nungsschwankungen beeinflußt, die große 'Schwankungen im Anodenkreis und damit an
dem Widerstand 18 hervorrufen. Diese Schwankungen werden in bekannter Weise nach
Art einer Widerstandsverstärkung durch eine Elektronenröhre ao verstärkt und auf
eine Siebschalteng gegeben. In dieser Siebschaltung werden die Spannungsschwankungen
nach Größe und Richtung ausgesondert. Die Siebschaltung besteht im wesentlichen
aus je vier parallel geschalteten Kondensatoren 2i an jeder Klemme eines hochohmigen
Widerstandes 22, der im Anodenkreis der Elektronenröhre 2o liegt. Die Kondensatoren
sind über hochohmige Widerstände 23 bis a6 miteinander verbunden. Bei Abweichungen
der Istspannung von der Sollspannung des Generators i, treten an den Klemmen der
Widerstände 23 bis 26 Spannungsschwankungen aus, die auf beliebige Stromkreise übertragen
werden können, da die Klemmen dieser hochohmigen Widerstände keine galvanische Verbindung
miteinander aufweisen. Die Spannungsschwankungen an den Widerständen 23 bis 26 werden
auf eine Gleichrichterschalteng gegeben, die aus den Transformatorwicklungen 27',
27h, 28z, 28b und den Röhren 29 bis 32 besteht. Die Wicklungen 27,1, 27b
und 28z, 28b liegen auf demselben Eisenkern wie die Wicklung ii. Die Gitter der
Röhren 29 bis 32 sind über die hochohmigen Widerstände 23, 2,4 bzw. 25, 26 und über
weitere Transformatorwicklungen 33, 34 bzw. 35, 36 miteinander verbunden. Die Transförmatorwicklungen
33 bis 36 liegen ebenfalls auf demselben Eisenkern ' wie die Transformatorwicklung
ii. Die Schaltung ist nun folgendermaßen getroffen: Wenn die Sollspannung des Generators
12 gleich der Istspannung an der Transformatorwicklung it ist, das heißt wenn also
der Widerstand 22 spannungslos ist, erhalten die Gitter der Röhren 29 bis 32 jeweils
eine negative Gittervorspannung bei positiver Anodenspannung der betreffenden Röhren.
Die Röhren 29 bis 32 werden also bei Spannungsgleichheit dauernd sperren. Wenn i
jetzt die Istspannung an der Transformator-Wicklung zi von der Sollspannung des
Generators 12 abweicht, so wird dem Widerstand 22 eine Wechselspannung aufgedrückt,
die über die Kondensatoren 21 auf die Widerstände 23 bis 26 t gegeben wird. Diese
Widerstände sind nun so in die Gitterkreise der Röhren 29 bis 32 gelegt, daß die
bei positiver Anodenspannung eines Rohres vorhandene negative Gittervorspannung
aufgehoben wird und das betreffende Röhrenpaar; I z. B. 29; 3o, den pulsierenden
Gleichstrom hindurchläßt. Die Schaltung ist so getroffen, daß
bei
zu hoher Spannung des zu regelnden Netzes das eine, bei zu niedriger Spannung des
zu regelnden Netzes das andere Röhrenpaar diesen Gleichstrom hindurchläßt.
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Um die Wirkungsweise dieser Schaltung leichter verständlich zu machen,
soll ein bestimmter Zeitpunkt betrachtet werden. Die Widerstände 23 bis 26 mögen
zu einem bestimmten Zeitpunkt an den Klemmen b, d, f und lt positives
Potential aufweisen. Zu dem gleichen Zeitpunkt mag an der Klemme 37 der Wicklung
27s und an der Klemme 38 der `Vicklung 28s ein positives Potential herrschen. Die
Gitterwicklungen 33 bis 36 weisen zu dem gleichen Zeitpunkt an ihren Punkten
a, (3, y, ö positives Potential gegenüber ihren Punkten a, @, y1,
0
auf. In diesem Augenblick werden also nur die Anoden oder Röhren 29 und
32 positives Potential besitzen. Die Röhren 30 und 31 sperren, da sie negative
Anodenspannungen aufweisen. Das Rohr 32 erhält eine doppelte negative Gitterv orspannung
einmal durch das negative Potential des Punktes e gegen den Punkt f und außerdem
durch die ihm aufgedrückte negative Vorspannung der Wicklung 36, nämlich des Punktes
0 gegen ö. Das Rohr 32 sperrt daher. Lediglich das Rohr 29 wird den Anodenstrom
hindurchlassen, da es sowohl positive Anodenspannung als auch positive Gittervorspannung
hat, denn die negative Gittervorspannung der Wicklung 33 (Punkt e gegen Punkt a)
ist durch die positive Spannung des Punktes b gegenüber dem Punkt a aufgehoben.
In der nächsten Halbwelle haben die Punkte a, c, e und g der Widerstände
23 bis 26 positives Potential gegen b, d, f und g, ebenso die Klemmen
39 und .Io der Transformatorwicklungen 27t' bzw. 281' sowie die Klemmen t,
@, 1l, 0 der Gittervorspannungswicklungen 33 bis 36. In diesem Augenblick werden
also die beiden Röhren 29 und 32 keinen Strom hindurchlassen, da sie negative Anodenspannung
haben.. Die Röhre 31 wird ebenfalls sperren, da sie durch die Wicklung 35 eine negative
Gittervorspannung (y gegen yj negativ) erhält und da der Punkt la in diesem Augenblick
negativ gegen - ist. Lediglich die Röhre 3o wird den Anodenstrom hindurchlassen,
da sie sowohl positive Anodenspannung an der Klemme 3c1 als auch eine positive Gittervorspannung
erhält; denn die negative Gittervorspannung der Wicklung 34 (ß gegen @) ist durch
die Spannung an dem Widerstand 2-, die bei c gegen rd positiv ist, aufgehoben. Über
das Röhrenpaar 29, 3o fließt also ein pulsierender Gleichstrom, der an den Klemmen
41, .h2 abgenommen werden kann. Dieser pulsierende Gleichstrom fließt über das Röhrenpaar
29, 3o, wenn zur gleichen Zeit die Klemmen b, d, f und la und die
Transformatorklemmen 37 und 38 positiv sind. Über das Röhrenpaar 31, 32 wird ein
pulsierender Gleichstrom fließen, der an den Klemmen 4.3, .f4. abgenommen werden
kann, wenn die Punkte a, c, e und g sowie die Klemmen 37 und 38 zu- gleicher Zeit
positiv sind. Der eine Fall tritt ein, wenn die Istspannung höher als die Sollspannung
des Generators 12 ist, der andere Fall, wenn sie niedriger ist. Zur Senkung oder
Steigerung der Istspannung kann ein unmittelbar von den Klemmen 41, 42 bzw. 43,
44 gespeistes elektromagnetisches Kupplungsorgan die Verstellv orrichtung des Reglers
mit einem ständig umlaufenden Motor kuppeln.
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Die Schaltung gemäß der Erfindung hat also den Vorteil, daß eine Spannungsabweichung
der Istgröße von der Sollspannung des Generators mit Elektronengeschwindigkeit auf
die Kuppelorgane des Reglers einwirkt, ohne daß mechanische Verzögerungen durch
Relais, Kontakte o. dgl. hervorgerufen werden. Die Kuppelorgane können verschieden
ausgebildet sein. Beispielsweise können elektromagnetische Tellerkupplungen, Klauenkupplungen
oder Friktionstriebe, die durch einen Topfmagneten betätigt werden, benutzt werden.
Zweckmäßig wird man die Anordnung so wählen, daß in Form einer Schwungmasse dauernd
kinetische Energie vorhanden ist, so daß beim Ansprechen der Kupplungen bei Spannungsabweichungen
die Masse der Verstellvorrichtung schnell beschleunigt wird.
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An Stelle des Generators 12 zur Erzeugung der Sollspannung kann man
eine Kunstschaltung benutzen, die an der Istspannung liegt und bei der ein Spannungsabgriff
sich weniger als proportional mit der angelegten Spannung verändert. Eine derartige
Schaltanordnung kann man dadurch erzielen, daß beispielsweise Eisenkerndrosselspulen
mit verschiedenen Windungszahlen und verschiedenem Eisenweg in Serie geschaltet
werden. Für einen gewissen Bereich wird dann die Spannung der Drossel mit dem kleinen
Eisenweg und der kleinen Windungszahl weniger als proportional mit der an den in
Serie geschalteten Drosseln liegenden Spannung ansteigen. Wirkungsvoller arbeitet
diese Schaltung, wenn man der Drossel mit der kleineren Windungszahl und dem kleineren
Eisenweg einen Kondensatorparallel schaltet. Durch günstige Anordnung kann man mit
solchen Anordnungen erreichen, daß bei So°/o Spannungssteigerung der Summenspannung
der Spannungsabgriff sich nur um 70/, ändert. Diese geringe Änderung des
Spannungsabgriffes verursacht keinen Fehler für die zu regelnde Spannung, da sich
während des Regelvorganges die Summenspannung dem Sollwerte nähert. Um einen Einfluß
der mit der Temperatur schwankenden Kapazität des Kondensators oder des schwankenden
Widerstandes der Kupferw=icklung auf die normale Spannung zu vermeiden, baut man
zweckmäßig die eben beschriebene Kunstschaltung
in einen Thermostaten
ein, der selbsttätig durch ein Relais auf konstanter Temperatur gehalten wird.
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Die Abb.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel dieser Kunstschaltung. An
den Klemmen 45 und 46 liegt eine Spannung, die sich in gewissen Grenzen ändert.
Eine Drosselspule 47 mit großer Windungszahl und langem Eisenweg und eine Drosselspule
48 mit kleiner Windungszahl und kurzem Eisenweg sind in Serie an die Klemmen 45
und 46 angeschlossen. Parallel zu der Drossel 48 liegt ein Kondensator 49: Bei günstiger
Wahl der Abmessungen kann erreicht werden, daß die Spannung an dem Kondensator 49
sich um einen verhältnismäßig geringeren Wert ändert als die Spannung an den Klemmen
45 und 46.
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Die Erfindung läßt sich nicht nur zur Regelung oder Konstanthaltung
von Spannungen verwenden, sondern auch für andere Zwecke. So tritt beispielsweise
in der elektrotechnischen Meßtechnik oft das Problem einer Kompensation auf. Dieses
Problem kann auf die Grundaufgabe gebracht werden, daß zwei Punkte einer Schaltung,
zwischen denen gewöhnlich ein Nullinstrument liegt, spannungslos gemacht werden
sollen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß anderen Elementen der Schaltung Spannungen
aufgedrückt werden, die dem noch vorhandenen Nullstrom proportional und entgegengesetzt
sind. Hier kann mit Vorteil die Erfindung benutzt werden. Es werden vier Röhrenpaare
angeordnet, von denen zwei für die eine Spannung, die anderen beiden für die senkrecht
stehende Spannung zum Hinauf- bzw. Hinunterregeln notwendig sind. Es werden also
je zwei Transformatorwicklungen dieser Röhrenpaare an die eine Spannung und die
anderen zwei Transförmatorwicklungen an eine auf ihr senkrecht liegende Spannung
angeschlossen, so daß selbsttätig die jeweiligen Regelorgane bedient werden können.
Die Regelorgane brauchen nicht Regeltransformatoren zu sein, sondern man kann die
bekannten Schaltelemente eines Wechselstromkreises, also Kondensatoren, Selbstinduktivitäten
oder Widerstände verstellen lassen.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Anordnung ist in der Abb.
3 dargestellt. An der Drehstromquelle 50 liegt einphasig ein Hochspannungstransformator
51, dessen Hochspannungswicklung 52 einpolig geerdet ist. Der andere Pol liegt an
einer Verlustwinkelmeßbrücke 53 nach Schering. Diese besteht aus einem Kondensator
54 dessen Verlustwinkel und dessen Kapazität gemessen werden soll, ferner aus dem
Normalkondensator 55, dem Ohmschen regelbaren Widerstand 57, dem ein regelbarer
Kondensator 58 parallel geschaltet ist. Der untere Brückenpunkt liegt an Erde. In
dem Diagonalzweig liegt statt des sonst üblichen Nullinstrumentes die beschriebene
Röhrenschaltung. Die Abgleichung der Brücke geschieht dadurch, daß zur Einstellung
des Kapazitätswertes der Ohmsche Widerstand 56 und zur Einstellung des Verlustwinkelwertes
der Kondensator 58 geregelt wird. Diese Regelung wird vollautomatisch vorgenommen.
Eine etwa noch vorhandene Nullspannung im Diagonalzweig 59 wirkt auf das Elektronenrohr
6o und über die Widerstandsverstärkung 61 auf den hochohmigen Widerstand 62. Diesem
sind acht Kondensatorpaare 63 mit zwischen ihnen liegenden hochohmigen Widerständen
64 bis 71 in der schon beschriebenen Weise parallel geschaltet. Die Widerstände
64, 65, 66 und 67 liegen in den Gitterkreisen der Röhren 72 bis 75, deren Anodenspannung
phasengleich mit der Hochspannung an der Scheringbrücke ist. Wenn in einem Diagonalzweig
eine Spannung auftritt, die in Phase mit der Hochspannung liegt, das heißt also
wenn die Einstellung des Widerstandes 56 falsch ist, so wird über das Röhrenpaar
72, 73 oder das Röhrenpaar 74, 75 ein pulsierender Gleichstrom fließen. Dieser beeinflußt
ein Kuppelorgan, das den Widerstand 56 selbsttätig auf den gewünschten Wert einstellt.
Die `V iderstände 68 bis 71 liegen in dem Gitterkreis der Röhren 76 bis 79, deren
Anodenspannungen senkrecht auf der an die Scheringbrücke gelegten Hochspannung stehen.
Tritt im Diagonalzweig der Brücke eine Spannung auf, die senkrecht zur Hochspannung
der Scheringbrücke liegt, so muß der Kondensator 58 geregelt werden, damit diese
Spannung verschwindet. In diesem Falle wird über das Röhrenpaar 76, 77 oder über
das Röhrenpaar 78, 79 ein pulsierender Gleichstrom fließen. Dieser beeinflußt wieder
ein Kupplungsorgan, das den Kondensator 58 auf den gewünschten Wert verstellt.