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Anordnung zum Konstanthalten der Drehzahl von Elektromotoren und ähnlichen
elektrischen Arbeitsmaschinen mittels Wechselstromtachometermaschine und Wheatstonescher
Brücke Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Konstanthalten der Drehzahl von
Elektromotoren und ähnlichen elektrischen Arbeitsmaschinen mittels Wechselstromtachometermaschine
und Wheatstonescher Brücke, deren in den frequenzabhängigen Zweigen auftretende
Wechselspannungen nach Gleichrichtung zur Differenz gebracht werden.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, die Drehzahl einer Arbeitsmaschine
dadurch konstant zu halten, daß man die Abweichung der Drehzahl von ihrem Sollwert
durch eine elektrische Größe, beispielsweise durch eine Spannung, mißt. Die Abweichung
dieser Indikatorspannung von ihrem irgendeinen passenden konstanten Wert aufweisenden
Sollbetrag kann man als Eingangspannung eines Verstärkers verwenden, in dessen Ausgangskreis
beispielsweise die Feldwicklung eines zu regelnden Motors konstanter Drehzahl liegt.
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In Fig. i ist eine ältere Anordnung beschrieben, bei der die Motorfeldwicklung
mit i und der zu regelnde Läufer mit 2 bezeichnet ist. Gemäß dieser Anordnung besteht
der Indikator, der die Drehzahlabweichung in eine Abweichung einer elektrischen
Größe umwandelt, etwa aus einer auf der Welle der zu regelnden Maschine z sitzenden
Gleichstrommaschine 3 konstanter Erregung. Die Differenz zwischen der Spannung 4.
dieser Tachometermaschine 3 und einer Vergleichspannung 5, beispielsweise einer
Trockenbatterie, kann als Eingangspannung 6 des Verstärkers 7 dienen.
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In vielen Fällen will man jedoch nicht nur eine einzige Drehzahl der
Arbeitsmaschine konstant halten, sondern die konstant zu haltende Drehzahl soll
innerhalb eines bestimmten Drehzahlbereiches stetig einstellbar sein. Mit der in
Fig. i angegebenen Anordnung läßt sich dies grundsätzlich erreichen, wenn man unter
Annahme konstanter Erregung, beispielsweise bei Einstellung einer niedrigeren Drehzahl,
die Vergleichspannung 5 entsprechend geringer macht. Ist jedoch der Drehzahlbereich,
innerhalb dessen eine konstante Drehzahl gefordert wird, sehr groß (etwa ein Drehzahlenverhältnis
i : 5o), so würde bei einer geringeren Drehzahl die Spannung an 3 und damit die
Spannung bei 5 so klein werden, daß die Empfindlichkeit des Indikators und damit
die Genauigkeit der Regulierung nicht ausreichen würde. Eine weitere Schwierigkeit
einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Reguliergenauigkeit, mit der diese
Anordnung arbeitet, abhängt von der Genauigkeit, mit der die Erregung der Tachometermaschine
auf einem Festwert
gehalten «-erden kann, sofern man nicht das konstante
Erregerfeld 8 durch permanente Magnete erzeugt.
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Gemäß der Erfindung werden die erwähn-:-, ten Schwierigkeiten dadurch
behoben, daß die in den frequenzabhängigen, einerseits aus Selbstinduktion und Widerstand
und andererseits aus Kapazität und Widerstand bestehenden Brückenzweigen auftretenden
Widerstandspannungen im Diagonalzweig nach Gleichrichtung über Kondensatoren gegeneinandergeschaltet
werden, an welchen sie bei Erreichung der Solldrehzahl den Summenwert Null ergeben.
Zur Umwandlung der zur Induzierung verwendeten Wechselspannungen in Gleichspannungen
empfiehlt es sich, an sich bekannte ruhende Gleichrichter vorzusehen. An Stelle
zweier Gleichrichter kann man natürlich auch im Brückenzweig einen einzigen zweianodigen
Gleichrichter vorsehen. Es empfiehlt sich, die Brückenschaltung aufzutrennen und
die Speisung der beiden Brückenhälften von getrennten Wicklungen der Tachometermaschine
aus vorzunehmen. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Brückenempfindlichkeit
in großem Drehzahl-bzw. Frequenzbereich schaltet man mit Vorteil eine Einrichtung
zum Konstanthalten der treibenden Brückenspannung vor. .
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In den Fig. 2 bis 6 sind Ausführungsbeispiele angegeben, und zwar
zeigt Fig. 2 ein Schaltbild; die Fig. 3 und 4. zeigen Kurvenbilder und die Fig.
5 und 6 weitere Schaltanordnungen. Nach Fig.2 ist ii die Arbeitsmaschine, deren
Drehzahl an beliebigen Stellen innerhalb eines vorgegebenen Drehzahlbereichs mit
sehr großer Genauigkeit (etwa 1 1,10o) konstant gehalten werden soll. 12 ist eine
Wechselströintachometermaschine, etwa eine M ittelfrequenzmaschine ohne umlaufende
Wicklung, deren Läufer gegebenenfalls gezahnt ist. Die Wechselstromtachometermaschine
12 wird durch eine im feststehenden Teil befindliche Wicklung mit Gleichstrom 13
erregt. Die die Erregerwicklung speisende Gleichspannung 13 braucht hierbei nicht
konstant zu sein. In einem praktischen Fall liefert beispielsweise diese Maschine
bei einer Umlaufzahl der. Welle von 24 U/min zwischen den Klemmen 14 und 15 eine
Wechselspannung 24 von der Frequenz 30 P%sek und bei einer Drehzahl von ig-oo
U/min eine Wechselspannung von der Frequenz 1500 P/sek. Diese Wechselspannung
wird einer Wechselspannungsbrücke 16 zugeführt, deren Zweige mit 17 und 18 bzw.
i9 und 2o bezeichnet sind.
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Der Zweig zwischen den Anschlußpunkten 21, 23 und 22 wird bei zunehmender
Drehzahl (wachsender Frequenz) und bei konstanter Spannung 24 eine wachsende Stromstärke
aufnehmen. Der den Zweig 17 überbrückende Kondensator 25, der über den Gleichrichter
26 :aufgeladen wird, nimmt dann (nach Ablauf -:eles Einschaltvorganges) im wesentlichen
eine `dem Scheitelwert des Spannungsabfalles an :(lern Zweig 17 entsprechende Gleichspannung
an. Mit zunehmender Frequenz. wird daher die an dem Kondensator 25 erzeugte Gleichspannung
ansteigen. Der den Zweig i9 überbrückende Kondensator 27, der über den Gleichrichter
28 aufgeladen wird, wird umgekehrt bei steigender Frequenz (wegen Absinkens des
Spannungsabfalles an i9) auf eine geringere Spannung aufgeladen. Liegt an der Brücke
16 eine Spannung solcher Frequenz, daß die Spannungsabfälle an 17 und i<g gleiche
Scheitelwerte haben, so sind auch die an den Kondensatoren 25 und 27 erzeugten Gleichspannungen
gleich und entgegengesetzt groß. Ihre Summe d e, d. h. die Spannung zwischen den
Punkten 2c9 und 30 ist somit gleich Null.
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In Fig. 3 sind die an den Kondensatoren 25 und 27 auftretenden Teilspannungen
in Abhängigkeit von der Frequenz f aufgetragen, wobei die Frequenz f = i dem Zustand
der abgestimmten Brücke d e = o entspricht. Die Spannung 32 gibt die Abhängigkeit
der am Kondensator 25 steigenden Teilspannung bei wachsender Frequenz wieder. Bei
der Frequenz Null sperrt der Kondensator den Strom im stationären Fall vollständig
ab, so daß auch der Spannungsabfall an dem Zweig 17 der Brücke 16 und die Spannung
32 gleich Null sein müssen. Mit wachsender Frequenz der Tachometermaschine 3 nähert
man sich, wie aus Fig.3 ersichtlich, asymptotisch im Falle unendlich hoher Frequenz
dem Gleichspannungswert E. Der Kondensator 27 nimmt bei der Frequenz Null die volle
zwischen den Brückenpunkten 21 und 22 herrschende Spannung E an, mit wachsender
Frequenz sinkt infolge des induktiven Spannungsabfalles am Zweig i9 die Spannung
33 etwas, um sich für unendliche hohe Frequenz asymptotisch dem Werte Null zu nähern.
Da zwischen den Punkten 29 und 3o die Differenz von 32 und 33 auftritt, so wird
bei der Frequenz i, wie oben erwähnt, die Spannungsdifferenz d e verschwinden.
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Fig. ,I veranschaulicht die Abhängigkeit der Spannung d e bei gegebenen
Größen von i8 und 2o in Abhängigkeit von der Frequenz. 12 bzw. der Drehzahl der
Arbeitsmaschine i i. Als Parameter ist die Wechselspannung 2,1 gewählt. Bei einer
bestimmten, von f = i abzveichenden Frequenz steigt somit absolut genommen der Spannungswert
d e mit wachsender Spannung 2,I.
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Ein wesentlicher Vorzug der angegebenen Brückenschaltung liegt nun
darin, daß sie im
Gegensatz zu den bisher bekanntgewordenen Schaltungen
auch bei Anwesenheit von Oberwellen (in der Spannung der Tachometermaschine) vollständig
abstimmbar ist, d. h. daß auch in diesem Falle ein Wert d e = o erreicht wird. Denkt
man sich bei einer auf die Frequenz f = i abgestimmten Brücke eine Wechselspannung
fester Amplitude anderer Frequenz f' hinzugefügt, dann wird für die Frequenz f'
die Brücke nicht mehr im Gleichgewicht stehen, d. h. es tritt nunmehr bei geänderten
Größen 17, ig, 18 und 2o eine positive oder negative Differenzspannung d e auf.
Nimmt man an, daß die Frequenz f' höher als die Grundfrequenz der Tachometermaschine
sein soll, dann wird die an dem Kondensator 25 auftretende Spannung in Abhängigkeit
von der Frequenz den in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Verlauf haben, d. h.
die Spannung wird stets etwas höher als der oben angegebene Wert sein. Umgekehrt
wird am Kondensator 27 eine Gleichspannung von etwas geringerem Betrage als im Falle
fehlender Oberwellen auftreten. Trotzdem existiert wieder, nämlich im Schnittpunkt
der beiden Kurven, bei einer etwas geringeren Frequenz eine Drehzahl, bei der die
Differenzspannung d e = o wird. Der Einfluß der Oberwellen wirkt sich somit
nur dahingehend aus, daß die Frequenz (Drehzahl) , für die d e - o wird,
nicht mehr aus den Größen 17, i9, 18 und 2o allein eindeutig zu bezeichnen ist.
Dies drückt sich in einer Verschiebung der Kurve d e = (p (f) bei
E = konst. aus. Diese Kurve ist in Fig. q. gestrichelt angegeben.
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Bei den geforderten großen Regelgenauigkeiten von 1 °/oo kann eine
zeitliche Veränderung des inneren Widerstandes der Gleichrichter 26 und 28 die Wirkungsweise
der An= ordnung insofern ungünstig beeinflussen, als durch ungleiche Veränderung
der innere Widerstand der beiden Gleichrichter ungleiche Aufladungen der Kondensatoren
25 und 27 aufweist und damit fehlerhafte Teilspannungen 32 und 33 auftreten, die
schleichende Änderungen des Arbeitspunktes des zu regelnden Motors zur Folge haben
können. Dies läßt sich dadurch vermeiden, daß an Stelle der beiden Gleichrichter
26 und 28 ein einziger Gleichrichter 40 mit zwei Anoden (Hochvakuum oder gasgefüllter
Gleichrichter) verwendet wird. Hierzu ist es allerdings notwendig, die Brückenschaltung
aufzutrennen und eine Speisung der beiden Brückenhälften von getrennten Wicklungen
der Tachometermaschine 3 aus vorzunehmen.
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Fig. 5 zeigt die entsprechende Anordnung. .41 und 42 bzw. .43 und
44 sind die Enden der beiden Wicklungen der Tachometermaschine 3. Diese Enden führen
zu den beiden aus 17 und 18 bzw. ig und 2o bestehenden Brückenzweigen. Die Kondensatoren
25 und 27 werden nun über den gemeinsamen Doppelanodengleichrichter 40 aufgeladen.
Die von der Frequenz allein abhängige Frequenzspannung wird zwischen den Punkten
.f7 und .48 abgenommen.
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Es wurde vorausgesetzt, daß die Spannung der Tachometermaschine bei
allen Frequenzen konstante Größe besitzt. Für diesen Fall wurde in Fig. q. d e (:
f) dargestellt. In Wirklichkeit ist diese Voraussetzung bei Verwendung einer Maschine
mit konstanter Erregung nicht erfüllt. Vielmehr steigt bei dieser Maschine die Spannung
proportional mit der Drehzahl an, so daß bei größerer Spannung die Differenzspannung
bei einer Abweichung vom Sollwert der Frequenz ebenfalls ansteigt; so ergibt sich
eine Kurvenschar für verschiedene konstante Spannungen der Tachometerinaschine,
wie sie in Fig. 4 in den Kurven El, E, und E3 dargestellt sind. Bei kleiner konstant
zu haltender Drehzahl, also geringerer Frequenz, würde somit die Regelgenauigkeit
infolge der kleinen d e-Werte ungenügend sein. Diesem Übelstand läßt sich begegnen
durch Zwischenschaltung einer Anordnung zwischen Tachornetermaschine und Brückenschaltung,
die die Spannung ungefähr konstant hält.
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Eine derartige Schaltung ist in Fig. 6 veranschaulicht. Die beiden
Wicklungen sind nach dieser Ausführungsform an die Gitter eines mit zwei Anoden
versehenen Elektronenrohres 5o geführt, in dessen Anodenkreisen sich ein Transformator
51 befindet. Schwankungen der Gitterspannungen geben Anodenstromschwankungen, deren
Amplitude infolge des Sättigungstromes des Elektronenrohres nach oben begrenzt ist.
Änderungen der Tachometerinaschinenspannung werden also lediglich eine Veränderung
der Kurvenform der Spannungskurve an den Sekundärwicklungen des Transformators ergeben,
und zwar in dem Sinne, daß bei höher werdender Spannung die Anodenstromkurve sich
von der Sinusform immer mehr der Rechteckforin nähert. Um den 'Gitterstrom bei hohen
Wechselspannungen zu begrenzen, sind in den beiden Gitterzweigen hohe Vorschaltwiderstände
57 eingebaut. Der Gleichstrom, der in den Anodenkreisen fließt, hebt sich in seiner
Wirkung auf den Transformator auf.
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Die dem Verstärker zugeführte EingangspannungA e muß um einen negativen
Spannungswert (Vorspannung etwa i bis 2 V) ihre durch Drehzahländerungen bedingten
Schwankungen ausführen. Diese konstante Vorspannung ist notwendig, um einen die
Verstärkung vermindernden Gitterstrom zu vermeiden. Die konstante Vorspannung läßt
sich nach Fig. 6 an einem Spannungsteiler 52
abgreifen, der an eine
Gasentladungstrecke (z. B. Glimmlampe 53 mit konstanter Brennspannung) angeschlossen
ist. Netzspannungsänderungen von einigen Prozent geben an dem Vorschaltwiderstand
54 entsprechende Spannungsänderungen, die durch eine Stromänderung im Glimmlampenzweig
hervorgerufen sind.
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Mit 55 ist ein Elektronenröhrenregler, z. B. ein Gleichstromwiderstandsverstärker,
bezeichnet, mit 56 eine Gleichspannungsbatterie und mit 57 verhältnismäßig große
Widerstände.
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Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Brückenempfindlichkeit
im großen Drehzahl- bzw. Frequenzbereich empfiehlt es sich, wie aus den Ausführungsbeispielen
ersichtlich, eine Einrichtung zum Konstanthalten der treibenden Brückenspannung
vorzuschalten. Diese Einrichtung besteht vorteilhaft aus Röhren.