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Regler für elektrische Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf Regelungssysteme
und geht darauf aus, mechanische und elektrische Betriebsgrößen, wie beispielsweise
Geschwindigkeit, Frequenz oder Spannung, gleichmäßig und genau zu regeln.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, einer Raumentladevorrichtung elektrische
Änderungen aufzudrücken, die Änderungen in einer Betriebsgröße eines Stromerzeugers
(beispielsweise der Geschwindigkeit desselben) entsprechen, und unabhängig von beweglichen
Kontakten den Ausgangsstrom der Vorrichtung zur Steuerung und zur Konstanthaltung
der erwähnten Betriebsgröße zu verwenden.
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Bei der der Erfindung zugrunde liegenden Einrichtung werden elektrische
Änderungen, die einer Betriebsgröße einer elektrischen Maschine entsprechen, einer
Raumentladevorrichtung aufgedrückt, deren Ausgangsstrom zur Regelung der Betriebsgröße
benutzt wird. Um Pendelungen zu verhindern, sind dabei erfindungsgemäß Mittel vorgesehen,
die unter dein Einfluß der erwähnten Vorrichtung stehen und ohne bewegliche Kontakte
arbeiten und direkt auf die Raumentladevorriclitung zurückwirken. Ein weiteres Merkmal
der Erfindung ist, daß eine Zeitverzögerung geschaffen wird, um die Rückwirkung
wirksamer zu machen, die die Pendelungen verhindern soll.
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Bei der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform ist eine Zeitverzögerung
in der Rückkopplung vom Verstärker zum Gleichrichtergitter geschaffen. Die Rückkopplung
mit Zeitverzögerung wird mittels einer Schaltung hergestellt, die aus einem über
die Regelungsfeldwicklung geschalteten Nebenschlußwiderstand, einem Kondensator
und einem hohen Widerstand, der in Reihe über einen Teil des Nebenschlußwiderstandes
gelegt ist, besteht. Das Gleichrichtergitter ist durch Leitungen mit .dem Heizfaden
über den Kondensator verbunden.
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Das Regelungssystem gemäß der Erfindung ist mit Mitteln versehen,
die auf Änderungen der Betriebsgröße der erwähnten Art ansprechen und auf die Betriebsgröße
einen regelnden Einfluß ausüben, der an und für sich nicht ausreicht, um einen vollständigen
Ausgleich für die Änderungen herbeizuführen. Es sind jedoch weitere Mittel vorgesehen,
die von den erstgenannten Mitteln beeinflußt «erden und eine weitere regelnde
Wirkung
auf das Kennzeichen ausüben, die sich zu der Wirkung der erstgenannten Mittel addiert,
aber zu einem späteren Zeitpunkt einsetzt. Die zuletzt erwähnten Regelungsmittel
sind von einer solchen Größe, daß sie den notwendigen Ausgleich zur richtigen Zeit
herbeiführen.
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Abb. i zeigt ein Schaltschema für ein Regelungssystem gemäß der Erfindung.
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Abb. 2 ist eine Kurve, die zur Erklärung der Erfindung dienen soll.
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Die in der Beschreibung angegebenen Werte für die Geschwindigkeiten,
Frequenzen, Kapazitäten, Widerstände usw. sind nur als Beispielswerte zu betrachten.
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Die Zeichnung zeigt einen Elektromotor 5, dessen Geschwindigkeit konstant
auf i Zoo Umdrehungen gehalten werden soll, ohne Rücksicht auf evtl. eintretende
Änderungen in den Arbeitsbedingungen, wie beispielsweise Spannungsveränderungen
in dem über die Leitung 6 einkommenden Betriebsstrom, Belastungsänderungen, Temperaturänderungen
usw. Der Motor ist eine Gleichstrom-Compoundmaschine, welche außer einer ständig
wirkenden Reihenfeldwicklung 7 und einer ebenschlußfeldwicklung 8 eine Hilfsreihenfeldwicklung
9 für das Anlassen und eine Hilfsregelungsfeldwicklung io hat, die von einem Vakuumröhrenregler
gesteuert wird. Sämtliche dieser Feldwicklungen arbeiten im gleichen Sinne. Ein
Wechselstromerzeuger i i, der Hochfrequenz erzeugt, beispielsweise 720 Perioden
bei i2oo Umdr.lMin., wird von der Maschine 5 angetrieben.
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Der Wechselstromerzeuger besteht aus einem gezahnten Rotor 12 und
einem Stator 13, der eine Erregerwicklung 14 und eine Ankerwicklung 15 trägt. Ein
Widerstand 16 ist in Reihe mit der Wicklung 14 gelegt, um den Strom in dieser Wicklung
zu regeln. Zur Regelung des normalen Ausgangsstromes der Wicklung 15 ist mit dieser
ein Widerstand 17 in Reihe geschaltet.
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Der Strom von 72o Perioden geht vom Stromerzeuger durch ein Niederdurchlaßfilter
2o, welches ohne Schwierigkeiten Frequenzen bis zu 700 Per./Sek. durchläßt
und für höhere Frequenzen genau begrenzt ist. Die Ausgangsspannung dieses Filters
wird der Anode eines Dreielektroden-Raumentlade-Gleichrichters 21 aufgedrückt, der
über einen Widerstand 22 (beispielsweise von ioo ooo Ohm) das Gitterpotential eines
Verstärkers A ändert, der aus zwei Dreielektroden-Raumentladeröhren 25 und 26 besteht.
Ein über den Widerstand 22 geschalteter Kondensator .7 unterdrückt die Spannungsschwankungen
über den Widerstand. Dieser Kondensator kann beispielsweise eine Kapazität von o,oi
Mikrofarad haben. Der Strom für das Motorregelungsfeld io geht durch den Verstärker
A, so daß dieser den Strom für das Regelungsfeld ändert. Die Kraftzufuhr zu den
Heizfäden der Röhren 21, 25 und 26 sowie für die Anoden der Verstärkerröhren 25
und 26 wird von einem Transformator 30 erhalten. Die Spannung der Leitung
6 wird ebenfalls den Anoden der Verstärkerröhren 25 und 26 aufgedrückt. Die Primärwicklung
31 des Transformators 30 wird von einem Schleifringpaar gespeist, welches
mit zwei elektrisch entgegengesetzten Kommutatorlamellen am Motor verbunden ist,
so daß dieser 8o Volt bei 2o Perioden pro Sekunde den Schleifringen aufdrückt. Eine
Sekundärwicklung 32 des Transformators ist mit ihren Enden mit den Anoden der Röhren
25 bzw. 26 verbunden und liefert Strom an diese Anoden über einen Stromkreis, der
vom positiven Leiter der Leitung 6 durch die Regelungsfeldwicklung io, Leiter 62,
die zwei Hälften der Wicklung 32, die Raum-, entladebahnen der Röhren 25 und 26
und den Leiter 65 zum negativen Leiter der Leitung 6 verläuft. Eine zweite Sekundärwicklung
35 desselben Transformators ist über die Heizfäden der Röhren 25 und 26 geschaltet,
während eine weitere Sekundärwicklung 36 des Transformators 30 mit den Enden
des Heizfadens der Röhre 21 verbunden ist. Die Leitung 6 liefert Gleichstrom, beispielsweise
von iro Volt, an den Motor und dient gleichzeitig als eine Quelle von positiver
Vorspannung zur Polarisierung der Gitter der Verstärkerröhren 25 und 26. Die Verbindung
mit den Gittern der Röhren 25, 26 geht von dem positiven Leiter der Leitung über
den Leiter 72 und über den Widerstand 22. Die Heizfäden der Röhren werden mittels
des Leiters 65 mit dem negativen Leiter der Leitung 6 verbunden. Ein über die Motorregelfeldwicklung
io geschalteter Kondensator 37 unterdrückt Spannungsschwankungen in der Wicklung,
deren Frequenzen von der Größe der durch die Gleichrichterwirkung des Verstärkers
A erzeugten Frequenzen sind. Der Kondensator kann beispielsweise eine Kapazität
von o,i Mikrofarad haben. Ein Leiter 38 verbindet das Gitter der Gleichrichterröhre
21 über einen Widerstand 39 von einem Megohm mit dem Verbindungspunkt der beiden
Widerstände 40 und 41, die in Reihe parallel der Wicklung io geschaltet sind. Ein
Kondensator 42 ist parallel dem Gitter und dem Heizfaden der Röhre 21 geschaltet,
wobei die eine Seite des Kondensators über Leiter 38 mit dem Gitter verbunden ist
und die andere Seite des Kondensators durch Leiter 72 mit dem Heizfaden in Verbindung
steht. Die Kapazität des Kondensators 42 kann beispielsweise i Mikrofarad sein.
Die Widerstände 4o
und 41 können zweckmäßig etwa ro ooo bzw. 5o
ooo Ohm betragen.
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Die in Abb. 2 gezeigte Kurve ist die Spannungsfrequenzkennlinie oder
die Spannungsgeschwindigkeitskennlinie des Stromerzeugers r r und des Filters 20
in Vereinigung. Die Frequenz ändert sich mit der Motorgeschwindigkeit. Wenn der
:Motor vom Stillstand in Bewegung gesetzt wird und dadurch gewissermaßen eine Beschleunigung
eintritt, so steigt die Spannung an den Ausgangsklemmen des Filters, weil die Klemmspannun-
des Stromerzeugers zunimmt. Diese Steigung dauert fort, bis die Frequenz sich dem
Wert c, d. h. 700 Perioden oder der Grenzfrequenz des Filters, nähert. Wenn
die Frequenz die Grenzfrequenz c übersteigt, so nimmt die Spannung an den ,#£usgangslclemmen
des Filters ab. Die Konstanten des Svstems sind so eingestellt, daß der normale
Arbeitspunkt für den Moor oder mit anderen Worten der Punkt der Kurve, welcher normaler
h1-otorgeschwindigkeit entspricht, in dem steilen Teil der Kurve liegt, der sich
unmittelbar oberhalb der Grenzfrequenz befindet und sich in negativer Richtung senkt,
beispielsweise in dem Punkt p.
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Der Motor wird angelassen dadurch, daß ein Schalter (nicht gezeigt)
eingelegt wird und die Leitung 6 mit dem Stromerzeuger (nicht gezeigt) verbindet,
der die Kraft liefert. Dadurch wird voller Nebenschlußfeldstrom an den Motor geliefert,
und zwar erfolgt die Zufuhr von dem oberen oder positiven Leiter der Leitung über
den unveränderlich eingestellten Feldwiderstand 5o. Der Ankerstrom des Motors fließt
vom positiven Leiter der Leitung durch einen Anlaßwiderstand 52, beispielsweise
von 3 Ohm, das Anlaßreihenfelcl 9, die Reihenfeldwicklung 7, durch den Anker und
zum negativen Leiter der Leitung 6 zurück. Der Motor läuft deshalb als compoundgewickelter
Motor mit einem starken Feld und einem festen Widerstand im Ankerstromkreis an_.
Wenn die Motorgeschwindigkeit auf etwa 75o Umdrehungen je _linute gestiegen ist,
so fällt die Angerspannung, weil die gegenelektromotorischen Kräfte einen so hohen
Wert erreicht haben, daß sie ein Anlaßrelais 53 betätigen. Die Wicklung dieses Relais
liegt diagonal in einem Wheatstone-Brückenstromkreis, in dem zwei Arme von den Widerstandseinheiten
54 und 55 gebildet werden, deren Verbindungspunkt im eigenen Ende der Diagonale
liegt. Ein dritter Arm der Brückenschaltung besteht aus dem Anlaßwiderstand 52 und
der Feldwicklung 9, während der vierte Arm von der Feldwicklung 7 und dem Anker
gebildet wird. Der obere Kontakt des Relais 53 verbindet das rechte Ende der Reihenfeldwickhing
7 unmittelbar mit dem positiven Leiter der Leitung 6, wodurch der Reihenwiderstand
von ,; Ohm und die Anlaßfeldwicklung 9 des Alotors kurzgeschlossen werden. Der Motor
wird dadurch in einen compoundgewickelten Motor umgewandelt, der unmittelbar mit
der Leitung in Verbindung steht. Durch den unteren Kontakt des Anlaßrelais werden
die Schleifringe des Motors zur Lieferung elektromotorischer Kraft von 8o Volt Spannung
und finit einer Frequenz von 2o Perioden je Sekunde (sobald der Motor annähernd
seine Normalgeschwindigkeit erreicht hat) an die Primärwicklung 31 des Transformators
30 angeschlossen. Wenn die Primärwicklung 3 r des Transformators 3o unter Spannung
gesetzt ist, drückt die Sekundär-,vicklung 32 den Verstärkerröhren 25 und 26 Anodenspannung
auf, und der Raumentladestrom der Verstärker strömt durch die Regelungsfeldwicklung.
Die erwähnte Spannung wird der Leitungsspannung überlagert den Anoden aufgedrückt,
und zwar über den oben beschriebenen Stromweg. Gleichzeitig liefert der Wechselstromerzeuger
Hochfrequenz an das Filter 2o, dessen Ausgangsklemmen mit der Anode der Gleichrichterröhre
2r verbunden sind. Da das Filter ein _X iederdurchlaßfilter ist und der Motor eine
bedeutende Geschwindigkeit erreicht hat, ohne jedoch auf die Normalgeschwincligkeit
gekommen zu sein, arbeitet er noch an dem aufsteigenden Teil der Kurve nach Abb.
2, so daß der Detektorröhrenstrom groß ist und einen Ohmschen Spannungsabfall in
dem Kupplungswiderstand 22 von roo ooo Ohm hervorruft, der die Gitter der Verst:irkerröhren
25 und 26 negativ macht. Dadurch wird der Strom durch das Regelungsfeld des Motors
unterdrückt, und der Motor erhält ein schwaches Feld, welches danach bestrebt ist,
die Geschwindigkeit höher zu bringen.
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Die Beschleunigung des Motors wird so lange zunehmen, bis die Geschwindigkeit
denjenigen Wert erreicht hat, der der Sperrfrequenz des \ iederdurchlaßfilters entspricht,
worauf die der Detektorröhre aufgedrückte Anodenspannung abnimmt und als Folge hiervon
der Strom durch den Kupplungswiderstand sinkt, und die negative Vorspannung an den
Gittern der Verstärkerröhren 25 und 26 abnimmt. Dies bewirkt, daß der Raumstrom
des Verstärkers plötzlich zunimmt, wodurch das Regelungsfeld verstärkt wird und
eine weitere Zunahme der Geschwindigkeit nicht stattfinden kann. Der Motor ist somit
auf seine normale Geschwindigkeit gebracht.
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Während früherer Stufen der Beschleunigung ist die von dem Stromerzeuger
herrührende Spannung an den Ausgangsquellen des Filters niedrig, und das positive
Potential,
welches von der Leitung 6 über den Widerstand 22 den
Gittern 25 und 26 aufgedrückt wird, bewirkt eine Stärkung des Regelungsfeldes. Wenn
von der Verwendung eines Hilfsanlaßfeldes abgesehen wird, so kann diese Wirkung
des Reglers dazu benutzt werden, das Drehmoment des Motors, die gegenelektromotorischen
Kräfte und die Feldstärke auf den niedrigen Werten zu halten, die bei geringen Motorgeschwindigkeiten
notwendig sind.
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In der weiteren Beschreibung soll gezeigt werden, wie das System angeordnet
werden kann, um bei wechselnden Betriebsverhältnissen durch Änderung der Leitungsspannung
oder der Belastung des Motors eine konstante Motorgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten;
Die Normalgeschwindigkeit des Motors entspricht beispielsweise dem Punkte p der
Kurve in Abb. 2. Wenn die Leitungsspannung zunimmt, so bewirkt dies eine Verringerung
der Ausgangsspannung des Filters und der Anodenspannung der Röhre 2i, wodurch der
Anodenstrom der Röhren 25 und 26 zunimmt und eine Geschwindigkeitszunahme verhindert
wird. Wenn der Anodenstrom des Verstärkers zunimmt, so nimmt der Spannungsfall im
Regelungsfeld io zu, und die Spannung, die über Widerstand 40, Widerstand 39 und
den Kondensator 42 liegt, erfährt ebenfalls eine Steigerung. Die Spannung über dein
Kondensator nimmt aber nicht sofort zu, sondern verzögert sich um ein Zeitelement,
welches dem Wert des Widerstandes 39 und der Größe des Kondensators direkt proportional
ist. Dieses Zeitelement soll vorzugsweise von derselben Größenordnung oder etwas
größer sein als die natürliche Schwingungsperiode des Systems. Diese natürliche
Schwingungsperiode kann in einem beliebigen System leicht dadurch ermittelt werden,
daß man für einen Augenblick den Widerstand 39 kurzschließt und sich die Schwingungszeit
einer Schwingung merkt. Das Zeitelement ist um so größer, je größer die mechanische
Trägheit des Systems ist. Nach dieser Zeitverzögerung nimmt die dem Gitter der Detektorröhre
aufgedrückte negative Spannunä zu, wodurch der Anodenstrom der Detektorröhre abnimmt
und der Regelungspunkt sich in seine Anfangsstellung p an der Neigung der Kennlinie
zurückbewegt. Die aus den Widerständen 39, 40 und 41, dem Kondensator 42 und dein
Gitter der Röhre 29 bestehende Schaltung ergibt ein stabiles und genau wirkendes
Regelungssystem.
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Nimmt die Leitungsspannung plötzlich- ab, so steigt die Ausgangsspannung
des Filters oder die Anodenspannung der Röhre 2i, wodurch ebenfalls der Anodenstrom
der Röhre 21 zunimmt. Als Folge hiervon nimmt der Anodenstrom der Röhren 25 und
26 ab, wodurch einer Geschwindigkeitsabnahme entgegengewirkt wird. Die Ausgleichsschaltung
wirkt, mit Verzögerung, ebenfalls einer Geschwindigkeitsabnahme entgegen. Sollte
der Motor eine erhöhte Belastung erhalten und dadurch eine Verringerung seiner Geschwindigkeit
eintreten, so wirkt das Regelungssystem in der Weise, wie in Verbindung mit dem
Ausgleichen der Abnahme der Leitungsspannung beschrieben. Sollte die Belastung des
Motors plötzlich geringer werden und seine Geschwindigkeit deshalb über die Normalgeschwindigkeit
steigen, so wirkt das System in der Weise, wie wenn die Leitungsspannung zunimmt,
und die normale Motorgeschwindigkeit wird aufrechterhalten.
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Das Niederdurchlaßfilter hat genaue Grenzwerte; doch sollen dieselben
nicht zu scharf eingestellt sein. So wurde beispielsweise in einem Fall gefunden,
daß eine Neigung von etwa 25 : i die höchste zulässige Neigung war. Diese Neigung
ist so steil, wie es die notwendige Stabilität erfordert, und wird deshalb in diesem
System verwendet, um die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Regelungsschaltung
zu erhöhen.
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Die Verstärkerröhren 25 und 26 sind Vollwellenverstärker, die die
Wellen gleichrichten, welche unter der Steuerung der Gittervorspannung in die Sekundärwicklung
32 induziert werden, um die Regelungsfeldwicklung zu magnetisieren. Die Überlagerung
der Gleichstromspannung von der Leitung 6 auf den in der Wicklung 32 induzierten
Spannungswellen erhöht den nützlichen Teil dieser Wellen, indem der mittlere positive
Wert der den Anoden der Röhren 25 und 26 aufgedrückten resultierenden Spannung erhöht.
Es wird mit anderen Worten die Nullachse der Wellen nach unten verschoben.
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Die Heizfäden der Röhren 25 und 26 sind mittels des Leiters 65 mit
dem negativen Leiter der Leitung 6 verbunden. Die Gitter dieser Röhren sind über
den Widerstand 22 mit dem positiven Leiter der Leitung 6 verbunden. Wenn die Motorgeschwindigkeit
einen Wert erreicht hat, der einer Frequenz entspricht, welche etwas höher ist als
die Frequenz im Punkt p, so erhält die Anode der Gleichrichterröhre 2i nicht mehr
eine Kraftzufuhr von so hoher Spannung, daß der Spannungsfall im Widerstand 22 ausgeglichen
werden kann, der dadurch entsteht, daß die Gitter der Röhren 25 und 26 durch den
Leiter 72 der positiven Leitung Strom entziehen. Da Raumstrom nicht länger durch
den Detektor 21 fließt, so ist der Strom durch die Regelungsfeldwicklung hoch, und
die Gitter der Röhren 25 und 26 sind positiv mit Bezug auf ihre Heizfäden. Es ist
deshalb in der Regelungseinrichtung
ein starkes Bestreben vorhanden,
die Geschwindigkeit des Motors herabzusetzen.