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Regelanordnung ; für elektrische Maschinen.
Die Erfindung bezieht sich auf Reguliersysteme und bezweckt bei der Regulierung mechanischer oder elektrischer Betriebsfaktoren (Betriebsgrössen), wie z. B. Tourenzahl, Frequenz oder Spannung die Gleichmässigkeit und Genauigkeit zu sichern.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, elektrische Änderungen, welche den Änderungen eines Betriebsfaktors einer elektrischen Maschine, z. B. der Tourenzahl eines Elektromotors entsprechen, einer Raumentladungseinrichtung aufzudrücken und den von dieser Einrichtung abgegebenen Strom für die Beeinflussung bzw. Konstanthaltung des betreffenden Betriebsfaktors auszunutzen. Weiters ist auch die Anordnung einer von der Entladungseinrichtung beherrschten Hilfseinrichtung bekannt, die unabhängig von vibrierenden Kontakten die betreffende Betriebsgrösse der Maschine beeinflusst.
Auch beim Anmeldungsgegenstand werden elektrische Änderungen, welche einem Betriebsfaktor einer elektrischen Maschine entsprechen, einer Raumentladungsvorrichtung aufgedrückt, deren Abgabestrom für die Beeinflussung des besagten Betriebsfaktors ausgenutzt wird, wobei jedoch erfindungsgemäss die ohne bewegliche Kontakte arbeitende Hilfseinrichtung auf die Raumentladungsvorrichtung zu dem Zwecke rückwirkt, Pendelerscheinungen hintanzuhalten.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Einführung einer zeitlichen Verzögerung, welche bezweckt, die die Pendelerscheinung, nämlich die Schwankungen respektive Schwingungen der Tourenzahl um einen mittleren Durchschnittswert, unterdrückenden Vorgänge besonders wirksam zu machen.
Die in der Zeichnung dargestellte, spezielle Ausführungsform des Erfindnngsgegenstandes weist die im Vorhergehenden beschriebenen Merkmale auf. Die Rückwirkung unter Zeitverzögerung wird vermittels einer Gesamteinrichtung bewerkstelligt, die sich aus folgenden Elementen zusammensetzt : Aus einem Widerstand 40, 41 im Nebenschluss zur Regulierfeldwicklung, einem Kondensator 42, einem hohen Widerstand 39, welche in Serie zu einem Teil des Nebenschlusswiderstandes geschaltet sind und aus Verbindungsleitungen 38 bzw. 72 und 62 zwischen Gleichrichtergitter, Heizfaden und Kondensator.
Als ein wichtiges Merkmal des Erfindungsgegenstandes sei erwähnt, dass mit der Einrichtung, welche auf die Schwankungen eines der oben angeführten Faktoren reagiert, um auf den betreffenden Faktor eine regelnde Wirkung auszuüben. die aber nicht genügt, die Abweichung innerhalb einer bestimmt begrenzten Zeit vollständig auszugleichen, eine weitere Einrichtung verbunden ist, welche erst infolge der Tätigkeit der ersteren Einrichtung in Wirkung tritt, um einen weiteren Reguliereffekt auf den betreffenden Faktor, auszuüben der sich mit dem ersteren vereinigt, jedoch zeitlich später zur Wirkung kommt, und welcher dabei von solchem Ausmass ist, dass die Ausgleichung in der gegebenen Zeit gerade genau bzw. vollständig erfolgt.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt das Schaltungsschema einer Ausführungsform und Fig. 2 eine charakteristische Kurve zwischen Spannung und Tourenzahl bzw. Spannung und Frequenz.
Die im Nachstehenden angenommenen Zahlenwerte für Tourenzahl, Frequenz, Kapazitäten, Widerstände usw. sind selbstverständlich nur als Beispiele zu betrachten.
Es sei also angenommen, dass die Tourenzahl des Motors 5 beispielsweise auf 1200 Umdrehungen pro Minute konstant gehalten werden soll, auch wenn irgendwelche Änderungen der Betriebsbedingungen eintreten, z. B. Änderungen der Spannung des von der Leitung 6 für den Antrieb des Motors gelieferten
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Stromes, Änderungen der Belastung des Motors, Änderungen der Temperatur usw.
Der Motor ist dargestellt als Gleichstrom-Compoundmaschine, welche ausser ihrer permanenten Serienfeldwicklung 7 und ihrer Nebenschlussfeldwicklung 8 noch eine Hilfsserienfeldwicklung 9 aufweist, welche beim Anlassen des Motors benutzt wird und schliesslich eine Hilfsregulierfeldwicklung-M, die, wie noch erörtert werden soll, unter dem Einfluss eines Vakuumrohrenregulators steht. Alle diese Feldwicklungen arbeiten akkumulativ. Vom Motor wird ein Weshselstromhoehfrequenzgenerator 11 angetrieben, der als Tourendynamo zum Zwecke der Regulierung dient und beispielsweise 720 Perioden bei 1200 Umdrehungen pro Minute ergibt.
Der Generator hat einen gezahnten Rotor 12 und einen Stator l') mit einer Erregerwicklung 14 sowie einer Ankerwicklung 15. Beide Wicklungen 14 und 15 sind mit den Regulierwiderständen 16 bzw. 17 in Serie geschaltet.
Der Generatorstrom von 720 Perioden geht durch ein Filter 20, welches Strom von einer Periodenzahl bis zu 700 pro Sekunde leicht durchgehen lässt, hingegen Strom von höherer Frequenz sicher abhält.
Die Ausgangsspannung dieses Filters wird der Anode einer Dreielektroden-Gleichrichterröhre (Detektorröhre) 21 aufgedrückt, welche über einen Kupplungswiderstand 22 von beispielsweise 100.000 Ohm das
Gitterpotential eines aus zwei Dreielektrodenröhren 25 und 26 bestehenden Verstärkers A beeinflusst.
Ein dem Widerstand 22 parallel geschalteter Kondensator 27 unterdrückt Spannungsschwankungen in diesem Widerstand. Dieser Kondensator kann eine Kapazität von beispielsweise O'l Mikrofarad haben.
Der Strom für das Motorregulierfeld 10 geht über die Entladungsstrecken des Verstärkers A von dessen Anoden aus, so dass der Verstärker den durch das Regulierfeld gehenden Strom steuert, wie noch des näheren beschrieben werden soll. Die Speisung der Heizdrähte der Rohren 21, 25 und 26 sowie der Anoden der Verstärkerrohren 25 und 26 erfolgt von einem Transformator 30 aus. Ausserdem wirkt, wie nachstehend noch erörtert, auch die Netzspannung (Leitung 6) auf die Anoden der Verstärkerrohren 25 und 26.
Die Primärwicklung 31 dieses Transformators wird durch zwei Schleifringe gespeist, welche an zwei elektrisch entgegengesetzte Kollektorlamellen des Motors angeschlossen sind und von diesen bei 20 Perioden pro Sekunde 80 Volt erhalten. Die beiden Enden einer Sekundärwicklung 32 des Transformators sind an je eine der Anoden der Rohren 25 und 26 angeschlossen ; diese Wicklung liefert den Anoden Strom über einen Stromkreis, der vom positiven Draht der Leitung 6 durch die Regulierfeldwicklung 10, den Verbindungsdraht 62, die beiden Hälften der Wicklung 32, die Entladungsstrecken der Röhren 25 und 26 und über den Verbindungsdraht 65 zum negativen Draht der Leitung 6 geht.
Eine Sekundärwicklung 35 des Transformators 31 ist mit den in Parallelschaltung liegenden Heizfäden der Röhren 25 und 26 verbunden und eine Sekundärwicklung 36 dieses Transformators mit dem Heizfaden der Röhre 21. Die Leitung 6 liefert dem Motor Gleichstrom von beispielsweise 110 Volt, weiters wird ihr die positive Gitterspannung entnommen und durch die Abzweigleitung 72 sowie den Widerstand 2 : 2 den Gittern der Verstärkerröhren 25 und 26 aufgedrückt, während die Heizdrähte dieser Röhren mit dem negativen Draht der Leitung 6 durch einen Draht 65 verbunden sind.
Ein zur Regulierfeldwicklung 10 des Motors parallel geschalteter Kondensator 37 unterdrückt Spannungsschwankungen in dieser Wicklung im Bereiche von Frequenzzahlen, wie sie sich aus der regelnden Wirkung des Verstärkers A ergeben.
Dieser Kondensator kann eine Kapazität von beispielsweise 0'1 Mikrofarad haben. Ein Draht, ? verbindet das Gitter der Gleiehriehterröhre über einen hohen Widerstand 39 von 1 Megohm mit dem Vereinigungspunkt zweier in Serie geschalteter Widerstände 40 und 41, die der Wicklung 10 parallel
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die eine Seite desselben durch den Draht 38 mit dem Gitter und die andere Seite durch den Draht 7'2 mit dem Heizdraht verbunden ist. Diese Schaltung hat, wie noch erklärt werden soll, den Zweck, eine Zeitverzögerung in der Rückwirkung des Ausgangskreises des Verstärkers 25, 26 auf das Gitter der Röhre 21 zu schaffen.
Die Kapazität des Kondensators 42 kann etwa 1 Mikrofarad betragen, der Widerstand 40 ein solcher von ungefähr 10.000 Ohm und der Widerstand 41 ein solcher von etwa 50.000 Ohm sein.
Die in Fig. 2 dargestellte Kurve ist die Spannungsfrequenzcharakteristik oder Spannungtourenzahlcharakteristik der Kombination aus Generator 11 und Filter 20. Die Frequenz ändert sich mit der Umlaufgeschwindigkeit des Motors. Wenn der Motor, angefangen vom Stillstand, an Geschwindigkeit zunimmt, steigt infolge der steigenden Klemmenspannung des Generators 11 auch die Spannung an der Ausgangsseite des Filters, bis die Frequenzzahl der Frequenz c nahekommt, welche bei 700 Perioden die Absperrfrequenz des Filters repräsentiert. Da die Frequenz noch über diese Absperrfrequenz hinaus steigt, fällt die Spannung an der Ausgangsseite des Filters ab.
Aus Gründen, die im folgenden klargelegt werden sollen, sind die Konstanten des Systems so gewählt, dass der Punkt, welcher der normalen Tourenzahl des Motors entspricht, beispielsweise der Punkt p, auf dem steil abfallenden, im Bereich der Absperrfrequenz liegenden Ast der Kurve liegt.
Der Motor wird angelassen, indem man einen nicht dargestellten Schalter schliesst, um die Leitung 6 mit dem ebenfalls nicht dargestellten, den Betriebsstrom liefernden Generator zu verbinden, so dass die Nebenschlussfeldwicklung 8 des Motors über den feststehenden Feldwiderstand 50 von Strom durchflossen wird. Der Ankerstrom für den Motor fliesst vom positiven Draht durch einen Anlasswiderstand 52 von beispielsweise 3 Ohm, durch die Anlassserienfeldwicklung 9, die permanente Seirenfeldwicklung 7 und
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den Anker 5 zurück zum negativen Draht der Leitung 6. Der Motor läuft also als ein Compoundmotor an, der ein starkes Feld und einen fixen Widerstand im Ankerstromkreis hat.
Sobald der Motor etwa 750 Umdrehungen pro Minute erreicht hat, hat der Spannungsabfall im Anker infolge der gegenelektro- motorisehen Kraft einen Wert erreicht, der genügt, um die Betätigung eines Anlassrelais 53 herbeizuführen.
Die Wicklung dieses Relais liegt im Diagonalzweig einer Wheatstoneschen Brücke. Zwei Zweige dieser Brücke bestehen aus den Widerstandseinheiten 54 und 55, die ihren Vereinigungspunkt an dem einen Ende der Diagonale haben, ein dritter Brückenzweig wird durch den Anlasswiderstand 52 sowie die Feldwicklung 9 gebildet und der vierte durch die Feldwicklung 7 und den Anker. Der obere Kontakt dieses Relais verbindet das rechte Ende der permanenten Feldwicklung 7 direkt mit dem positiven Draht der Leitung 6, wodurch der 3 Ohm, erienwiderstand 52 und die Anlassfeldwicklung 9 des Motors kurz geschlossen werden. Hiedurch verwandelt sich der Motor in einen direkt an die Leitung angeschlossenen gewöhnlichen Compoundmotor.
Der untere Kontakt des Anlassrelais liegt in der Leitung zwischen den Schleifringen des Motors und der Primärwicklung : 31 des Transformators 30, die einen Strom von annähernd 80 Volt Spannung und eine Frequenz von annähernd 20 Perioden pro Sekunde führt, wenn der Motor seiner normalen Tourenzahl nahekommt. Infolgedessen drückt die Sekundärwicklung 32 den Verstärker- röhren 25 und 26 eine Anodenspannung auf, und es fliesst ein Anodenstrom dieser Röhren durch die Regulierfeldwicklung 10. Diese Spannung wird auf dem oben bereits angegebenen Weg den Anoden in Überlagerung auf die Leitungsspannung aufgedrückt.
Gleichzeitig liefert der Wechselstromgenerator 11 einen Strom von hoher Frequenz zum Filter 20, dessen Ausgangsseite mit der Anode der Gleichrichterröhre 21 verbunden ist. Da dieser Filter einen sehr niederen Frequenzbereich ausscheidet (low pass filter) und der Motor zwar schon eine beträchtliche Geschwindigkeit, jedoch noch nich t die volle Normalgeschwindigkeit erreicht hat, arbeitet er noch immer auf dem aufsteigenden Ast der Kurve der Fig. 2.
Der Röhrenstrom in der Detektorröhre ist relativ stark und erzeugt in dem 100.000 Ohm Kupplungswiderstand 22 einen Spannungsabfall, welcher eine negative Aufladung der Gitter der Verstärkerröhren 25 und 26 bewirkt und infolgedessen das Durchgehen eines Stromes durch das Regulierfeld des Motors unter- drückt. Hiedurch erhält der Motor ein schwaches Feld, welches ein Ansteigen seiner Tourenzahl bewirkt.
Die Tourenzahl des Motors wird daher weiter steigen, bis jene erreicht ist, welche der Absperrfrequenz des Filters entspricht, worauf die Anodenspannung der Detektorröhre plötzlich abnimmt, infolgedessen auch der Strom, der durch den Kupplungswiderstand geht und ebenso die negative Aufladung an den Gittern der Verstärkerröhren 25 und 26. Dies verursacht eine plötzliche Steigerung des Anodenstromes im Verstärker, wodurch das Regulierfeld gestärkt und eine weitere Erhöhung der Tourenzahl hintangehalten wird. Der Motor hat so seine normale Tourenzahl erreicht.
Beim Anlaufen des Generators ist die von ihm herrührende Spannung an der Abgabestelle des Filters gering und ein von der Leitung 6 den Gittern der Röhren 25 und 26 durch den Widerstand 22 erteiltes positives Potential hat die Tendenz, das Regulierfeld zu stärken. Wo es zulässig ist, dass das Anlasshilfsfeld 9 in Wegfall kommt, kann diese Wirkung des Regulators dazu ausgenutzt werden, um dem Motordrehmomente, der gegenelektromotorisrhen Kraft und der Feldstärke die für langsames Laufen des Motors nötigen Werte zu geben.
Es sei die Wirkungsweise der Einrichtung beschrieben, wenn die Tourenzahl des Motors unter veränderlichen Betriebsbedingungen. z. B. bei schwankender Netzspannung oder sich ändernder Belastung konstant erhalten werden soll. Als Punkt der Charakteristik, welcher der normalen Tourenzahl des Motors entspricht, sei der Punkt p (Fig. 2) angenommen. Wenn die Dynamomaschine gemäss Punkt p läuft, bedingt jede Erhöhung der Tourenzahl einen Spannungsabfall. Wenn die Spannung im Netz steigt, erhöht sich die Tourenzahl des Aggregates und somit die Frequenz. Dadurch verringert sich die Spannung an der Ausgangsseite des Filters und hiemit jene der Anode der Röhre 21.
Infolgedessen verringert sich auch der Anodenstrom der Röhre 21, während der Anodenstrom der Röhren 25 und 26 verstärkt wird, wodurch die Tendenz entsteht, eine Steigerung der Tourenzahl hintanzuhalten. Die Verstärkung des Verstärkeranodenstromes bedingt eine höhere Spannung im Feld 10 und infolgedessen in letzter Linie auch eine Erhöhung der Spannung, welche vom Widerstand 40 durch den Widerstand 39 auf den Kondensator 42 wirksam ist. Da der Kondensator 42 durch den hohen Widerstand 39 hindurch aufgeladen wird, tritt eine Zeitverzögerung ein und die Spannung am Gitter der Röhre 21 wird langsamer steigen als wenn der Kondensator 42 nicht vorhanden wäre.
Die Spannung im Kondensator steigt aber nicht sofort, sondern wird verzögert um ein Zeitintervall, das direkt proportional ist dem Werte des Widerstandes 39 und der Grösse des Kondensators. Dieses Intervall (Verzögerungsperiode) soll zweckmässig ungefähr von derselben oder einer grösseren Dauer sein als die natürliche Schwingungsperiode des Systems (d. h. die Zeit eines einmaligen Hin- und Zurücksrhwingens bei der Oszillationsfrequenz des Systems). Diese Zeit ist um so grösser, je grösser die mechanische Trägheit des Systems ist.
Es wird daher nach dieser zeitlichen Verzögerung die dem Gitter der Detektorröhre erteilte negative Spannung erhöht werden, wodurch sich der Detektorröhrenanodenstrom verringert und dies hat zur Folge, dass der Regulier-
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die aus den Widerständen 39,40, 41, dem Kondensator 42 und dem Gitter der Röhre 21 bestehende Anordnung wird dem System sowohl Stabilität als auch Genauigkeit verliehen.
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Wenn dagegen die Leitungsspannung plötzlich sinkt, ergibt sich ein Steigen der Spannung im Filterausgangskreis bzw. der Anodenspannung der Röhre 21, infolgedessen auch eine Verstärkung des Anodenstromes der Röhre 21 und eine Schwächung des Anodenstromes der Röhren 25 und 26. was eine Tendenz, das Sinken der Tourenzahl zu verhindern, ergibt. Die Kompensationsanordnung arbeitet so, dass sie eine weitere, aber verzögert eintretende Tendenz, eine Verringerung der Tourenzahl zu verhindern, herbeiführt.
Sollte die Belastung des Motors eine höhere werden und die Tourenzahl unter die normale zu verringern suchen, so arbeitet das System in derselben Weise wie im Vorstehenden für den Ausgleich bei Sinken der Leitungsspannung zwecks Konstanthaltens der Tourenzahl beschrieben wurde. Bei plötzlicher Entlastung des Motors, infolge deren die normale Tourenzahl überstiegen wurde, arbeitet das System so, wie im Vorstehenden für den Ausgleich bei erhöhter Leitungsspannung beschrieben wurde.
Der Filter soll, wie erwähnt, eine scharfe Abschaltung bewirken, anderseits soll letztere nicht zu scharf sein. Als Beispiel sei erwähnt, dass in einem bestimmten Fall als günstigste Neigung der Charakteristik die von ungefähr 25 : 1 gefunden wurde. Diese Neigung ist so steil, als mit der elforderliehen Stabilität eben noch verträglich ist. Um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Regulierung zu erhöhen, wurde die Wirkung der Verzögerungseinrichtung 42, 39 in das System eingeführt.
Die Verstärkerröhren 25 und 26 dienen als Vollwellengleichrichter dazu, die in der Sekundärwicklung 32 induzierten Ströme unter dem Einfluss der Gittersteuerung gleichzurichten, um die Energie für die Regulierfeldwicklung zu liefern. Die Überlagerung der Gleichspannung von der Leitung 6 auf die in der Wicklung 32 induzierten Spannungswellen erhöht den nützlichen Teil dieser Wellen durch
Erhöhung des positiven mittleren Wertes der den Anoden der Röhren 25 und 26 aufgedrückten resul- tierenden Spannung, oder mit andern Worten dadurch, dass praktisch genommen die Nullachse der Wellen nach unten verschoben wird.
Die Heizdrähte der Röhren 25 und 26 sind mit dem negativen Draht der Leitung 6 durch eine
Leitung 65 verbunden, und die Gitter dieser Röhren sind an den positiven Draht der Leitung 6 über die
Leitung 72 und den Widerstand 22 angeschlossen. Wenn die vom Motor erreichte Tourenzahl einer
Frequenz entspricht, die um ein Geringes höher ist als die dem Punkte p entsprechende Frequenz, so wird die Anode der Gleichrichterröhre 21 nicht mehr weiter mit Energie von genügender Spannung beliefert, um den Spannungsabfall zu überwinden, der im Widerstand 22 zufolge des von den Gittern der Röhren 25 und 26 durch den Draht 72 dem positiven Leitungsdraht entnommenen Stromes entsteht.
Da jetzt kein Raumstrom mehr durch den Detektor 21 fliesst, ist der durch das Regulierfeld 10 gehende
Strom stark, wobei die Gitter der Röhren 25 und 26 in bezug auf ihre Heizdrähte positiv sind. Es besteht daher eine sehr starke Tendenz, den Motor zu verlangsamen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Regelanordnung für elektrische Maschinen mit einer Raumentladungsvorrichtung, einer auf Änderungen einer Betriebsgrösse der Maschine zwecks Beeinflussung der Entladungsvorrichtung reagieren- den Einrichtung und einer von der Entladungsvorrichtung aus beherrschten Hilfseinrichtung, die unab- hängig von vibrierenden Kontakten arbeitet und die betreffende Betriebsgrösse der Maschine (z. B. die
Tourenzahl eines Elektromotors) beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Verhinderung von
Pendelungen beim Regulierungsvorgang von der letztgenannten Hilfseinrichtung eine Rückwirkung auf die Entladungsvorrichtung ausgeübt wird.