DE235317C

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KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 235317 KLASSE 21 c. GRUPPE fr i- //:

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Patentiert im Deutschen Reiche vom 18. Juli 1909 ab.

. Viele Arbeitsmaschinen erfordern zu ihrem geordneten Betriebe eine veränderliche, genau regelbare Geschwindigkeit, die selbsttätig oder von Hand eingestellt werden kann. Es ist dabei meist wünschenswert, daß jeder Stellung des Steuerhebels eine bestimmte Geschwindigkeit der Antriebsmaschine entspricht, oder daß sich ihre Geschwindigkeit doch wenigstens nur unerheblich von der durch den Steuerhebel

ίο gegebenen Sollgeschwindigkeit entfernt.

In sehr befriedigendem Maße entspricht bei gebührender Beachtung gewisser Nebenerscheinungen die elektrische Leonard-Schaltung dieser Forderung, sofern der Antriebsgenerator konstante Drehzahl beibehält. Auch Drehstrom-Nebenschlußmotoren mit Regeltransformator erfüllen die Bedingung aufs beste,- solange ihnen Drehstrom konstanter Frequenz zugeführt wird. Schwankt jedoch die Generatordrehzahl im Leonard-System — wie beispielsweise bei den bekannten ligner-Anlagen — oder ändert sich die Primärfrequenz der Drehstrommotoren erheblich, so ändert sich in demselben Maße auch die Drehzahl des angeschlossenen Motors nebst seiner Arbeitsmaschine, auch wenn die Steuerhebelstellung unverändert bleibt.

Auch bei Wärmemotoren, bei Turbinen und ebenso bei elektrischen Motoren, die durch Vorschaltwiderstände im Arbeitsstromkreise geregelt werden, ist die Geschwindigkeit nicht nur von der Reglerstellung abhängig, sondern außerdem noch von der jeweiligen Belastung. Um bei derartigen ^Kraftmaschinen eine eindeutige Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Steuerhebelstellung zu erzielen, soll nun gemäß vorliegender Erfindung ein besonderes Steuergetriebe angewandt werden, das zwischen Steuerhebel und Maschinenregler eingeschaltet ist, und das ein selbsttätiges Nachregeln der Maschinengeschwindigkeit bewirkt, sobald diese von ihrem Sollwerte erheblich ab-■ weicht.

Der Steuerhebel selbst soll also nicht dazu dienen, den Maschinenregler unmittelbar zu beeinflussen, er soll nur eine bestimmte mechanische Leitgeschwindigkeit oder eine elekirische Leitfrequenz einstellen, mit der die jeweilige Maschinengeschwindigkeit auf elektrischem Wege verglichen wird. Zu diesem Geschwindigkeitsvergleiche soll eine Drehfeldmaschine dienen, die elektrische Ströme zweier verschiedener Periodenzahlen aufnehmen kann. Da durch die Drehfeldmaschine und das gesamte Steuergetriebe nur eine geringe Energiemenge fließt, in dem Maße, wie sie zum Verstellen des Maschinenreglers erforderlich ist, so können die Abmessungen dieser Hilfsmaschinen sehr klein gegenüber den Größen der Hauptmaschinen gewählt werden.

Ein Beispiel möge die Anwendung des Gedankens erläutern. In Fig. 1 bedeutet m den zu regelnden Arbeitsmotor, dessen Geschwindigkeit von der Belastung und von der Größe des Vorschaltwiderstandes h im Hauptarbeitskreise abhängt. Durch äußere Eingriffe, etwa mit Hilfe eines Steuerhebels t, der die Geschwindigkeit eines kleinen Gleichstrommotors g beherrscht, läßt sich die Drehzahl und damit die abgegebene Frequenz eines Drehstromsynchrongenerators r regeln, der seine Ströme in den Stator einer mit dem Hauptmotor m gekuppelten

Drehfeldmaschine l sendet. Der Rotor dieser Drehfeldmaschine liefert Ströme anderer Frequenz in einen Steuerapparat s, der beispielsweise als Asynchronmotor ausgebildet sein kann, und der seinerseits den Maschinenregler h mechanisch beeinflußt.

Da im Rotor des »Laufapparatesa / so lange Spannungen induziert werden, als seine Drehzahl von der Drehgeschwindigkeit des Statorfeldes abweicht, die -wiederum durch Geschwindigkeit oder Frequenz des »Leitapparates« r gegeben ist, so wird der »Steuerapparat« s die Drehzahl des Hauptmotors m so lange beeinflussen, bis Laufapparat und Leitapparat dieselbe Geschwindigkeit besitzen. Das geschieht ganz unabhängig von dem jeweiligen Absolutwerte der Geschwindigkeit und der Größe der Belastung.
Verändert man durch Regeln der Leitgeschwindigkeit die von der Maschine r abgegebene Leitfrequenz, so wird der Steuerapparat sofort Ströme erhalten und auf den neuen Gleichgewichtszustand hinregeln. Ändert sich andererseits, etwa durch Zunahme der Belastung, die Drehzahl des Hauptmotors, so setzen die im Laufapparate entstehenden Ströme den Steuerapparat wiederum in Tätigkeit und veranlassen die Wiederherstellung der vorherigen Geschwindigkeit.

Das Steuergetriebe wirkt also derart, daß die zu regelnde Geschwindigkeit des Hauptmotors der geregelten Geschwindigkeit des Leitapparates stets etwas nacheilt, daß diese Differenz sich jedoch stets zu vermindern strebt.

Natürlich muß der Sinn, in dem der Steuerapparat den Maschinenregler beeinflußt, von vornherein richtig eingestellt sein.

Wegen der Beschleunigungskräfte, die auf die trägen Massen des Hauptmotors wirken müssen, um ihm die richtige Geschwindigkeit j zu erteilen, muß der Maschinenregler seiner Stellung in der Gleichgewichtslage, die derselben Geschwindigkeit des Hauptmotors entsprechen würde, um einen gewissen Betrag voreilen. Er wird also dann, wenn der Motor die richtige Geschwindigkeit angenommen hat und der Steuer apparat zur Ruhe gekommen ist, bereits zu weit reguliert haben, und die Folge davon ist jetzt ein Überregulieren der Motorgeschwindigkeit. Dadurch wird der Regler vom Steuerapparat wieder um ein gewisses Maß zurückgeführt, um nach wiederholten derartigen Spielen seine Ruhelage zu erreichen.

Es erhellt hieraus, daß die beschriebene Leitgeschwindigkeitssteuerung nicht augenblicklich reguliert, daß vielmehr Schwingungen des ganzen Systems auftreten. Eine genauere Betrachtung zeigt aber, daß diese Pulsationen im allgemeinen gedämpft sind und daher absterben, und zwar um so schneller, je geringer die trägen Massen des Hauptmotors sind und je energischer der Motor auf eine Verstellung des Maschinenreglers anspricht.

Außer der in Fig. 1 skizzierten Schaltung des Steuergetriebes sind noch eine große Reihe von Varianten ausführbar. Allen liegt jedoch der gemeinsame Gedanke zugrunde, daß der Vergleich der Laufgeschwindigkeit und der Leitgeschwindigkeit elektrisch mit Hilfe einer Drehfeldmaschine geschieht. Es ist beispielsweise nicht erforderlich, als Steuerapparat s in Fig. ι eine Asynchronmaschine zu verwenden, man kann ebensogut eine Synchronmaschine mit Gleichstromerregung benutzen, aiich kann man die Rotoren sowohl der Steuermaschine s als des Leitapparates r mit Drehstrom oder Wechselstrom statt mit Gleichstrom speisen, wie es Fig. 2 darstellt.

Als Steuerapparat braucht man nicht notwendig eine Drehfeldmaschine zu verwenden, welche die Verstellung des Maschinenreglers selbst besorgt, man kann vielmehr, wie in Fig. 3, auch ein Relais benutzen, das einen besonderen Servomotor S₁ in Tätigkeit versetzt. Dann erzielt man im allgemeinen eine schnellere Regulierung, weil die Regelgeschwindigkeit, solange der Servomotor überhaupt eingeschaltet ist, konstant bleibt, während dieselbe bei den früheren Anordnungen mit größer werdender Annäherung der Laufgeschwindigkeit an die Leitgeschwindigkeit immer geringer wird. Die Gefahr des Uberregulierens und Pendeins wird bei dieser Anordnung allerdings vergrößert, so daß man mit der Erhöhung der Regelgeschwindigkeit nicht zu weit gehen darf.

Statt als Leitgeschwindigkeitsapparat eine Synchronmaschine zu benutzen, welche die mechanische Leitgeschwindigkeit in eine elektrische Leitfrequenz umwandelt, kann man diese letztere auch unmittelbar erzeugen. Hierzu kann ein Drehstrom-Kollektorgenerator dienen, der durch Einstellung des Verhältnisses zwischen Kollektor- und Statorspannung an einem Regeltransformator beliebige Frequenzen zu erzeugen erlaubt. Man kann auch ■ Maschinen benutzen, die mit Kondensatoren belastet sind und allein die Eigenschwingungen ihres Stromkreises hervortreten lassen, wie im Patent 179954 beschrieben ist. . Schließlich sind auch — besonders bei vorhandenen Drehstromnetzen — Kollektorfrequenzwandler, die jede beliebige Sekundärfrequenz abgeben können, als Leitapparate brauchbar.

Eine weitere Ausführungsform des Laufapparat es ist in Fig. 4 dargestellt. Es ist hier nicht eine gewöhnliche Mehrphasenmaschine verwendet, um die Differenzfrequenz zwischen der Leitfrequenz und der Laufgeschwindigkeit entsprechend zu erzeugen, sondern ein Gleichstromanker, der durch drei Schleifringe Mehrphasenstrom erhält und ihn durch einen Kollek-

tor mit drei Bürsten hindurch weitergibt. Da hierbei eine Veränderung der Frequenz um den Betrag der Maschinendrehzahl stattfindet, so ist die Anordnung der früheren völlig äquivalent. Gleichzeitig ist in Fig. 4 als Leitapparat ein regulierbarer Drehstromfrequenzwandler dargestellt, als Steuerapparat eine im Rotor und Stator mit derselben Frequenz gespeiste Drehstrom-Synchronmaschine.

Alle bisher erwähnten Anordnungen entsprechen dem Schema der Fig. 5, in der wieder r den regelbaren Leitapparat, I den Laufapparat und s den Steuerapparat bedeutet. Während Leit- und Steuerapparat beliebige Maschinenarten sein konnten, die nur zur Erzeugung oder Aufnahme von Wechselstrom geeignet sein mußten, sollte als . Laufapparat eine doppelt angeschlossene Mehrphasenmaschine verwendet werden. Es wurde aber bereits erwähnt, daß man diese Mehrphasenmaschine nicht notwendig zum Laufapparate machen muß, man kann sie ebensogut auch als Steuerapparat verwenden, wie in Fig. 6, oder als Leitapparat, wie in Fig. 7.

Bei der Anordnung der Fig. 6 kann man zum Erzeugen der Leitfrequenz eines der oben beschriebenen Mittel in Anwendung bringen, beispielsweise kann man eine gewöhnliche S}^- chronmascbine gebrauchen. Eine gleiche Maschine — mit Gleichstrom- oder auch Drehstromerregung — läßt sich auch als Laufapparat mit dem Hauptmotor kuppeln und liefert eine dessen Geschwindigkeit entsprechende Lauffrequehz in den Steuerapparat, dessen Bewegung dann bei richtiger Schaltung von der Differenz der Leit- und Laufgeschwindigkeit abhängt.

In der Schaltung der Fig. 7 ist gegenüber dem ausführlich besprochenen Schema der Fig. 5 nur die Rolle des Leit- und Laufapparates vertauscht, was auf die Wirkungsweise natürlich ganz ohne Einfluß ist.

Ordnet man das Steuergetriebe nach Fig. 6 oder 7 an, läßt man also den Hauptmotor mit Hilfe des Laufapparates eine bestimmte Lauffrequenz erzeugen, so kann man in vielen Fällen eine Vereinfachung erzielen, nämlich dann, wenn der Hauptmotor elektrisch betrieben wird. Man kann dessen Rotor dann durch Schleifringe ohne weiteres Strom entnehmen, dessen Frequenz nur von der Drehzahl abhängig ist, gleichgültig, ob der Hauptmotor Gleichstrom- oder Drehstromantrieb hat. Dieser Strom läßt sich unter Vermeidung eines besonderen Laufapparates unmittelbar zum Steuern verwenden.

Der Laufapparat braucht in allen Fällen nicht notwendig unmittelbar mit dem Hauptantriebsmotor gekuppelt zu sein, sondern man kann ihn zweckmäßig mit demjenigen Maschinenteil verbinden, an dessen Geschwindigkeitsregelung besonders viel gelegen ist. Beispielsweise wird man ihn bei Fördermaschinen mit konischen Seiltrommeln unmittelbar vom Förderseil aus antreiben lassen, da die Maschinengeschwindigkeit hier erst in zweiter Linie interessiert.

In manchen Fällen ist es wünschenswert, die Geschwindigkeit des Hauptmotors nicht starr von der Leitgeschwindigkeit abhängig zu machen, sondern ihr eine gewisse Elastizität zu verschaffen, so daß sie bei größer werdender Belastung etwas geringer wird. Diese Forderung liegt u. a. vor beim Antriebe von Walzwerken, wo man starke Belastungsstöße aus dem Energievorrat von Schwungrädern zu decken sucht, die mit dem Motor gekuppelt sind.

Man kann diese Pufferwirkung hervorbringen, indem man an irgendeiner Stelle des Steuergetriebes eine weitere Drehfeldmaschine einschaltet, deren Drehzahl sich nach der Größe des Belastungsmomentes vom Hauptmotor richtet. So ist in Fig. 8 ^₁ ein vom Hauptstrome gespeister Motor, dessen Drehzahl diesem proportional ist. Er bewegt die doppelt angeschlossene Drehfeldmaschine r_v die als »Kompoundierungsleitapparat« wirkt, indem sie dem Maschinenregler eine der Belastung entsprechende Rückstellung erteilt. Natürlich könnte man durch einfache Umschaltung auch erzielen, daß der Hauptmotor mit wachsendem Drehmomente zunehmende Drehzahl erhält, doch wird dieser Fall selten eintreten.

Der Kompoundierungsäpparat wirkt ersiehtlieh auch auf die Schnelligkeit des Reglers und auf die Pendelungsmöglichkeit ein, da er nicht nur bei äußeren Belastungsänderungen, sondern auch bei Geschwindigkeitsverstellungen in Tätigkeit tritt. In der Schaltung für Tourenabfall bei zunehmender Belastung verzögert er die Regelgeschwindigkeit, wirkt aber gleichzeitig dämpfend auf etwaige Schwingungserscheinungen ein. Bei selbsttätiger Tourenerhöhung tritt das umgekehrte ein.

Claims

Pate nt-Ansprüche:

1. Elektrische Einrichtung zum Steuern von Maschinen mittels Leitgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß von drei Steuerungsteilen, nämlich Leitapparat, Laufapparat oder Steuerapparat, mindestens einer eine mit Stator und Rotor oder Anker doppelseitig angeschlossene , Mehrphasenmaschine ist, zu dem Zwecke, die Leitgeschwindigkeit und Laufgeschwindigkeit derart zu vergleichen, daß nur ihre Differenz zum Steuern wirksam wird.

2. Elektrische Einrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch Anwendung einer Drehfeld-Induktionsmaschine zum Vergleichen der Leitfrequenz und Lauffrequenz.

3- Elektrische Einrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch Anwendung eines Kollektor-Frequenzwandlers zum Vergleichen der Leitfrequenz und Lauffrequenz.

4. Elektrische Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom, der die Lauffrequenz besitzt, den Stromkreisen des zu regelnden Motors entnommen wird.

5. Elektrische Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufapparat nicht vom Hauptmotor unmittelbar, sondern von einem durch ihn angetriebenen Maschinenteil aus bewegt wird.

6. Elektrische Einrichtung nach Anspruch ι mit Kompoundierung der Leitgeschwindigkeitssteuerung, gekennzeichnet durch eine in den Steuerkreis eingeschaltete weitere Drehfeldmaschine, deren Drehzahl von der Belastung des Hauptmotors abhängt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.