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Steuerschaltung für Leonard-Antriebe Die Erfindung bezieht sich auf
die Steuerung und Regelung der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung elektrischer
Motoren, insbesondere bei Fahrstühlen und Förderanlagen. Hierzu bedient man sich
des öfteren soggenannter Leonard-Antriebe, deren Feldregelung zweckmäßigerweise
durch gesteuerte Entladungsstrecken durchgeführt wird. Es sind bereits Anordnungen
vorgeschlagen worden, bei denen :diese Entladungsstrecken von einerWechselspannung
und einer zugehörigen Gleichspannung gesteuert werden. Im übrigen war es fürderartige
Antriebe auch gebräuchlich, das Feld des Generators durch eine Drehzahlmaschine
auf der Motorwelle selbst zu beeinflussen. Bei allen derartigen Regelungen wird
immer, erstrebt, daß das angetriebene Fördermittel mit einer einstellbaren, möglichst
der größten unter den gegebenen Betriebsbedingungen zulässigen Geschwindigkeitenänderung
beschleunigt bzw. verzögert wird und daher dann auch mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad
arbeitet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine derartige Regelung
mit Hilfe von im Feldkreis des Generators befindlichen Entladungsstrecken. Erfindungsgemäß
werden die die Erregerwicklung in Gleichrichterschaltung speisenden Entladungsstrecken
durch eine Reihenschaltung mehrerer Gitterspannungskomponenten gesteuert. Und zwar
setzen sich diese Komponenten aus einer gegen die Anodenspannung um 9o° verschobenen
Steuerwechselspannung und zwei weiteren veränderlichen, einander entgegengesetzt
geschalteten Gleichspannungskomponenten zusammen. Dabei wird die eine (negativ gerichtete)
Gleichspannungskomponente von einer mit dem Antriebsmotor gekuppelten Istdrehzahlmäschine
geliefert, die andere (positiv gerichtete) von einem aus einer festen Spannungsquelle
über willkürlich oder selbsttätig einstell- bzw. regelbare Widerstände geladenen
bzw. entladenen Kondensator. Die Ladung bzw. Entladung des Kondensators mit vorbestimmten
Beträgen und vorbestimmter Geschwindigkeit bewirkt eine entsprechende Geschwindigkeitsänderung
:des Motors.
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Zum besseren Verständnis möge der Erfindungsgedanke an Hand der Zeichnung
erläutert werden, deren Abb. i ein schematisches Ausführungsbeispiel für eine Steuereinrichtung
gemäß der Erfindung zeigt, während in Abb. a verschiedene Steuerkurven dargestellt
sind. Als Ausführungsbeispiel ist ein Förderantrieb mit Ward-Leonard-Generator gewählt,
wobei die Spannung des Steuergenerators durch Feldänderung geregelt und damit die
Geschwindigkeit des Motors verändert wird. Der Hauptantriebsmotor io möge ein
Gleichstrommotor
sein, der mit der Seiltrommel gekuppelt ist, auf der das Seil beim Heben bzw. Senken
des Förderkorbes 12 aUf-bzw. abläuft. Der Motor io ist dauernd an den Gleichstromgenerator
13 angeschlossen, dessen Feldwicklung 14 fremderregt ist. Der Steuergenerator 13
wird von einem nicht näher dargestellten Motor mit im wesentlichen konstanter Drehzahl
in Umdrehung versetzt. Außerdem sitzt auf der Generatorwelle eine Erregermaschine
15 mit Nebenschlußfeldwicklung 16, die die Fremderregung für die Feldwicklung 17
des Hauptmotors i o sowie für die Feldwicklung 18 einer kleinen mit dem Antriebsmotor
io verbundenen Istdrehzahlmaschine ig liefert. Diese Istdrehzahlmaschine ig führt
nur kleine Ströme und dient zur Erzeugung einer der Drehzahl des Hauptmotors entsprechenden
Steuerspannung. Diese Spannung dient, wie weiter unten ausgeführt wird, zur Einführung
einer Abhängigkeit von der Drehzahl des Antriebsmotors in die Regelung der Erregung
14 des Generators 13 nach Art einer Rückführung.
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Wie schon oben erwähnt wurde, wird zur Steuerung des Motors io die
Höhe und die Änderung der Erregung in der Generatorfeldwicklung 14 gesteuert. Der
Strom für die Feldwicklung 14 wird beispielsweise von einer passenden Wechselstromquelle
2o über ein Entladungsgefäß 2i geliefert, welches als Gleichrichter arbeitet. Die
Entladungsstrecke 21 ist eine solche mit Dampf- oder Gasfüllung und Gittersteuerung,
da in diesem Falle eine relativ sehr große Leistung mit Hilfe einer sehr kleinen
Leistung im Steuerkreis geregelt werden kann. In erster Linie kommen hierfür Quecksilberdampfgleichrichter
in Frage. Der Entladungseinsatz hängt dabei von der Überschreitung bestimmter kritischer
Spannungen am Gitter ab. Im Anodenkreis der Entladungsstrecke liegt die Feldwicklung
14 des Leonard-Generators.
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Die Steuerung der Entladungsstrecke erfolgt durch eine der Wechselspannungsquelle
20 entnommene Steuerwechselspannung in Reihenschaltung mit einer aus zwei Komponenten
gebildeten Gittergleichvorspannung von regelbarem Wert, wobei der Phasenwinkel der
resultierenden Gitterspannung, bezogen auf die Anodenspannung, in an sich bekannter
Weise veränderlich wird. Dadurch kann also der Zeitpunkt des Entladungseinsatzes
in der Entladungsstrecke geändert werden, so daß auch der der Feldwicklung 14 zufließende
Strom geregelt wird. Die Steuerwechselspannung wird im Gitterkreis über einen Transformator
25 mit zwei Primärwicklungen 26 und 27 .in Scottschaltung zugeführt, der eine Spannung
mit einer Phasenr_acheilung von etwa go° gegenüber der Anodenwechselspannung der
Entladungsstrecke liefert. Ein Ende der Sekundärwicklung des Transformators ist
über einen passenden Strombegrenzungswiderstand 28 von verhältnismäßig hohem Wert
an das Gitter 24 angeschlossen. Das andere Ende der Sekundärwicklung ist mit der
Gittervorspannungsquelle verbunden, die aus einem Kondensator 2g sowie dem Anker
des kleinen Steuergenerators ig besteht. Die Verbindung erfolgt über Leiter 3o und
31 und Umkehrschalter 32, 33, darauf über den Anker des Steuergenerators ig und
eine Leitung 34 zur Kathode der Entladungsstrecke.
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Der Zweck des Kondensators ist die Einführung einer regelbarer Größe
in den Steuerkreis der Entladungsstrecke. Aus diesem Grunde ist der Kondensator
2g über einen Potentiometerwiderstand 35 so mit der Erregermaschine 15 verbunden,
daß er von dieser aufgeladen wird. Der Potentiometerwiderstand 35 ist in zwei Teile
gleichen Widerstandes aufgeteilt, die unter sich parallel geschaltet über Leitungen
36, 37 an die Erregermaschine 15 angeschlossen sind. Die Leitung 36 führt zu den
beiden Endpunkten des Potentiometerwiderstandes, die Leitung 37 zu dessen Mittenanzapfung.
Mit Hilfe eines willkürlich oder selbsttätig beweglichen Steuerarmes 38, dessen
Kontakt auf dem Potentiometerwiderstand schleift, kann am Potentiometer 35 eine
veränderliche Spannung abgenommen und über einen Leiter 39
der einen Seite
des Kondensators 29 zugeführt werden, dessen anderer Beleg an den Leiter 37 angeschlossen
ist. In der dargestellten Mittelstellung des Armes 38 erhält der Kondensator 2g
keine Spannung und wird daher nicht aufgeladen. Eine etwa vorher schon vorhandene
Aufladung kann sich über einen veränderbaren Entladewiderstand 40, der parallel
zum Kondensator geschaltet ist, ausgleichen. Wird dagegen der Kontaktarm in irgendeiner
Richtung aus der Mittelstellung verschoben, so erhält der Iondensator eine mit der
Drehung des Kontaktarmes wachsende Ladespannung. Diese Kondensatorspannung wird
in den Steuerkreis der Entladungsstrecke 21 eingeführt. Sie ist .dabei stets der
Spannung des Steuergenerators ig im Gitterkreis der Entladungsstrecke entgegengerichtet,
-da die Istdrehzahlmaschine stets über den der jeweiligen Stellung des Kontaktarmes
38 entsprechenden Umkehrschalter 32 oder 33 mit der entsprechenden Polarität an
den Gitterkreis angeschlossen wird, Im übrigen ist die Polarität des Kondensators
29 so gewählt, daß die Kondensatorspannung im Gitterkreis die gleiche Richtung hat
wie die positive Halbwelle der über den Transformator 25 gelieferten Steuerwechselspannung,
bei vergrößerter
Kondensatorladung also im Sinne einer Verfrühung
des Zündeinsatzes wirkt.
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Die Höhe der Kondensatorspannung bestimmt die äußerste Geschwindigkeit
des Antriebsmotors, während seine Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit das Maß .der
Beschleunigung oder Verzögerung des 1Hotors bestimmt. Die Zeitkonstante der Ladung
des Kondensators wird durch einen passenden, einstellbaren, relativ hohen Ohmschen
Widerstand 41 auf einem vorbestimmten Wert gehalten. Der Widerstand 41 ist in Reihe
mit einem gleichrichtenden Element 42, beispielsweise einem Kupferoxydgleichrichter,
in den Zug der Leitung 39 eingeschaltet, wobei der Gleichrichter nur Ladeströme
für den Kondensator durchläßt. Entsprechend ist der Widerstand 4o verhältnismäßig
groß und im übrigen einstellbar, so daß auch die Zeitkonstante der Entladung des
Kondensators auf einen vorbestimmten Wert eingestellt «erden kann, wenn der Kontaktarm
38 in die Mittelstellung zurückgeführt wird. Eine Entladung des Kondensators über
den Potentiometerwiderstand 35 wird dabei durch den Gleichrichter 42 verhindert.
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Der Kontaktarm 38 am Potentiometerwiderstand wird -zusammen mit dem
Anlaß-bzw. Halt-Schalter des Aufzuges betätigt. In der Zeichnung ist dies schematisch
dargestellt durch eine mechanische Kupplung mit dein Schaltarm 43, wobei die beiden
Arme durch ein Lagerstück 44 aus Isoliermaterial elektrisch getrennt sind. Der Schaltarm
43 steuert das getrennte öffnen und Schließen elektromagnetisch betätigter Umkehrschalter
45 und 46 im Stromkreis der Generatorfeldwicklung 14. Die Betätigungswicklungen
sind dabei aus einer Hilfsstromquelle gespeist. Die Umkehrschalter 32 und 33 für
die von der Istdrehzahlmaschine i9 gelieferte Steuerspannungskomponente werden unmittelbar
mit den Umkehrschaltern 45 und 46 gekuppelt, wie es das dargestellte Ausführungsbeispiel
andeutet.
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Um die Erregung der Feldwicklung 14 während der negativen Halbwelle
der vom Netz 20 gelieferten Spannung aufrechtzuerhalten, ist ein gleichrichtendes
Element 47, z. B. eine Entladungsstrecke, parallel zur Feldwicklung geschaltet.
Die Kathode 48 der Entladungsstrecke 47 wird ebenso wie die Kathode 23 der Entladungsstrecke
2i beispielsweise über einen besonderen Heiztransformator 49 mit getrennten Sekundärwicklungen
geheizt. Der Stromkreis der Feldwicklung verläuft vom unteren Phasenleiter des Netzes
2o über .die Leitung 5o, die Entladungsstrecke 2i, den Leiter 5i, den einen oder
den anderen der Umkehrschalter 45, 46, die Feldwicklung 14 und zurück über den Leiter
52 zu einem anderen Phasenleiter. Da die Anode 53 der Freilaufentladungsstrecke
47 mit dem Leiter 51 verbunden ist, kann durch die Entladungsstrecke 47 kein Strom
fließen, solange die Entladungsstrecke2i arbeitet. Denn die Anode 53 ist in diesem
Falle negativ gegenüber der Kathode 48. In dem Augenblick indessen, in welchem die
Entladungsstrecke 21 nichtleitend wird und damit den Feldkreis öffnet, induziert
der verschwindende Fluß in der Feldwicklung eine Spannung, «-elche den Strom aufrechtzuerhalten
sucht und ihn daher über die Entladungsstrecke 47 treibt.
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Angenommen, daß der Leonard-Generator 13 mit seiner vollen,
im wesentlichen konstanten Drehzahl angetrieben werden möge, so wird der Aufzug
durch Drehen des Steuerarmes 43 aus der Mittelstellung nach rechts oder links in
Bewegung gesetzt. Je nach der Richtung der Auslenkung wird der Kontaktarm den Stromkreis
über eines der beiden Segmente 54 oder 55 schließen und damit die Drehrichtung des
Motors, d. h. die Bewegungsrichtung des Aufzuges, bestimmen. In der Mitte des Steuerwiderstandes
35 ist ein kleines leitendes Segment eingefügt, vermittels dessen eine kleine Winkelbewegung
des Steuerarmes 38 in jeder Richtung ohne Spannungsänderung ermöglicht wird. Der
Stromkreis über Segment 54 oder 55 kann also jeweils geschlossen werden, bevor der
Kontaktarm das Segment 56 verläßt und am Widerstand 35 eine Spannung abgreift und
dem Kondensator 29 zuführt.
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Die Feldwicklung 14 erhält ihren Strom über die Entladungsstrecke
21, deren vom Transformator 25 gelieferte Steuerwechselspannung gegenüber der Anodenspannung
um 9o° nacheilt und in Reihe geschaltet ist mit dem vom Kondensator und der Istdrehzahlmaschine
gelieferten Steuergleichspännungskomponenten. Unter diesen Bedingungen wird die
Entladungsstrecke vor dem Anlassen, d. h. solange Kondensator- und Istdrehzahlmaschinenspannung
noch Null sind, praktisch im Scheitel der positiven Halbwelle leitend und bleibt
während der zweiten Hälfte der Halbwelle stromführend. Allerdings wird in diesem
Falle in der Feldwicklung 14 kein merklicher Strom erzeugt, weil die an der Entladungsstrecke
und der Wicklung liegende Spannung bereits wieder absinkt und die hohe Induktivität
der Feldwicklung das Auftreten größerer Ströme verhindert. Infolgedessen erzeugt
der Generator 13 auch keine merkliche Spannung, und der Arbeitsmotor 1o steht still.
Nun kann der Steuerarm 38 vom Segment 56 auf den Schleifwiderstand 35 bewegt werden
und über den Widerstand hinweg bis zu einem Punkt gelangen, der der gewünschten
Endgeschwindigkeit entspricht. (Es ist andererseits auch möglich, den Steuerarm
38
gerade so weit zu bewegen, daß der Antriebsmotor eine sehr kleine
Geschwindigkeit erhält, beispielsweise um einen Aufzug in einer genau vorgeschriebenen
Höhe auf Flur zum Stehen zu bringen.) Um den Aufzug zu beschleunigen, wird der Arm
43 weiter aus seiner Mittelstellung herausbewegt, so daß die dem Kondensator zugeführte
Potentiometerspannung die von der Istdrehzahlmaschine ig gelieferte Spannung weitaus
überwiegt und eine im wesentlichen positive Vorspannung im Steuerkreis der Entladungsstrecke
2i erzeugt. Dadurch wird der Entladungseinsatz verfrüht, der Stromdurchgang durch
die Entladungsstrecke und die Feldwicklung 14 erhöht. In dem Maße, wie der Motor
sich beschleunigt, wächst auch die Spannung der Istdrehzahlmaschine ig, die der
des Kondensators 29 im Steuerkreis entgegenwirkt. Gegebenenfalls kann sie dabei
die Köndensatorspannungüberschreiten, undzwar so weit, um dem Motor eine vorbestimmte,
der Stellung des Potentiometerarmes 38 gerade entsprechende Geschwindigkeit zu geben.
Das Maß der Beschleunigung des Motors während dieses Gegenregelprozesses hängt von
der Geschwindigkeit des Ladevorganges am Kondensator ab.
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Wird der Aufzug durch eine Bewegung der Steuerarme 38 und 43 nach
der Mittelstellung hin gebremst, so entlädt sich der Kondensator über den Widerstand
4o. Damit wird der Strom, der der Feldwicklung 14 zufließt, verringert, und die
Spannung der Istdrehzahlmaschine ig wirkt als Rückführung der kleiner werdenden
Kondensatorspannung entgegen, so daß der Arbeitsmotor in einem entsprechenden Maße
verzögert wird.
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Gegebenenfalls kann auch eine zweite Entladungsstrecke entsprechend
der Entladungsstrecke 21 vorgesehen und derart gesteuert werden, daß sie jeweils
die zweite Halbwelle der speisenden Wechselspannung im Gleichrichterbetrieb durchläßt.
In diesem Falle wird eine besondere Freilaufentladungsstrecke 47 überflüssig.
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Die Steuerspannung der Entladungsstrecke 2i, die dem Transformator
25 entnommen wird, beträgt vorzugsweise io bis 15°1a der Vorspannung am Kondensator
29, wenn dieser voll geladen ist. Vorteilhaft ist auch die Spannung des Kondensators
bei voller Ladung höher als der Scheitelwert der Spannung an der Spannungsquelle
2o, die dem Anodenkreis der Entladungsstrecke 21 zufließt.
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Es ist ohne weiteres einzusehen, daß bei einer Nacheilung der am Transformator
25 entnommenen Steuerwechselspannung um 9o° gegenüber der Anodenspannung, wie sie
in A.bb. 2 zugrunde ,gelegt ist, die Spannung des Kondensators 29, oder genauer
gesagt, der Spannungsunterschied zwischen der Kondensatorspannung und der entgegengesetzten
Regelspannung der Istdrehzahlmaschine ig bis zum Scheitelwert der Steuerwechselspannung
am Transformator 25 veränderbar sein muß, um eine Steuerung der Entladungsstrecke
2 1 über ihren vollen Regelbereich zu erhalten. Der Grund hierfür ist darin zu sehen,
daß die negative Halbwelle der Steuerspannung allein einen Entladungseinsatz verhindern
kann, daß aber die Kondensatorspannung dieser negativen Halbwelle entgegengesetzt
gerichtet ist, und daß, wenn der Unterschied zwischen der Kondensatorspannung und
der Spannung der Istdrehzahlmaschine ig gleich dem Scheitelwert dieser Halbwelle
wird, diese gerade vollständig kompensiert ist, so daß tatsächlich die resultierende
Steuerspannung derart verschoben wird, daß der Nacheilwinkel des kritischen Zündpunktes
gegenüber der Anodenspannung verringert bzw. zum Verschwinden gebracht wird. Dies
ist schematisch in Abb. 2 -dargestellt, wo die Kurve 57 die von der Spannungsquelle
2o gelieferte Anodenspannung und Kurve 58 die vom Transformator 25 gelieferte Steuerwechselspannungskomponente
darstellt. Die Kondensatorspannung verläuft nach der Geraden 59, bezogen
auf die Nullinie, und die Spannung der Istdrehzahlmaschin.e ig nach der Geraden
6o, ebenfalls bezogen auf die Nullinie. Die Differenz zwischen Kondensator- und
Generatorspann.ung ist durch die gestrichelte Linie 61 gegeben. Die beiden Spannungen
sind für die Darstellung so gewählt, daß -ihre Differenz gerade gleich dem
Scheitelwert der Steuerwechselspannung 58 ist. Es ist zu erkennen, daß die Differenzspannung
6i die resultierende Steuerspannung gegenüber der Nullinie soweit hebt, daß sie
nach Kurve 62 verläuft. Da diese Spannung im gleichen Augenblick schon positiv ist
wie die Anodenspannung 57, wird der Entladungseinsatz in der Entladungsstrecke 2i
schon zu Beginn der positiven Halbwelle freigegeben. Dementsprechend arbeitet die
Entladungsstrecke mit ihrer vollen Durchlaßfähigkeit.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine Änderung ,der Differenzspannung
61 zwischen Null und dem in Abb. 2 dargestellten Wert eine Verlegung des Zündpunktes
der Entladung über den ganzen Steuerbereich ermöglicht. Änderungen im Sinne einer
Vergrößerung der Differenzspannung 61 über den Scheitelwert der Steuerwechselspannung
hinaus können den Einsatz der Entladung nicht mehr beeinflussen. Vorausgesetzt ist
dabei stets, daß die Zündcharakteristik der Entladungsstrecke praktisch mit der
Nullinie zusammenfallen möge. Bei voller Öffnung der
Entladungsstrecke
erhält der Generator 13 die größtmögliche Erregung und damit der Antriebsmotor io
den größtmöglichen Strom, so daß er dem Aufzug die für die betreffende Belastung
größtmögliche Beschleunigung erteilt.
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Um den jeweiligen, von der Anlage geforderten Betriebsbedingungen
zu :genügen, kann die gesamte Regeleinrichtung durch entsprechende Bemessung der
Widerstände 40, 41 sowie deren Regelbarkeit und- durch eine entsprechende Bemessung
der Feldwicklung 14. und des Antriebsmotors io den gegebenen Bedingungen angepaßt
werden. Es ist dafür Sorge zu tragen, daß die Feldwicklung eine genügend kleine
Zeitkonstante hat und der Antriebsmotor ein entsprechend höheres Beschleunigungsvermögen
besitzt. Dadurch kann dann erreicht werden, daß die Differenzspannung 61 den in
Abb. 2 dargestellten Wert nie-' mals merklich überschreitet. Praktisch wird die
größte zulässige Beschleunigung .und Verzögerung des Aufzuges 12 festgesetzt und
die Charakteristiken des Generatprs 13 und des Motors io diesen Größtwerten angepaßt.
Es kann dann lediglich durch Einstellung der Widerstände 40 und 4.1 erreicht werden,
daß die Kondensatorladung bzw. -entladung zu keiner größeren Differenzspannung 61
als der angegebenen führen kann. Dann arbeitet die Entladungsstrecke 21 stets innerhalb
ihres Steuerbereiches, d. h. es entsteht in der Steuerung keinerlei toter Gang,
und der Antriebsmotor ist hinsichtlich seiner Geschwindigkeit bei jedem Betriebszustand
und in jedem Augenblick unter genauer Kontrolle. Zwischen den Steuerspannungen des
Kondensators 29 und der Istdrehzahlmaschine ic stellt sich ein solches Gleichgewicht
ein, daß ihre Differenz einen im wesentlichen konstanten :Mittelwert mit nur kleinen
Schwankungen annimmt, der im übrigen ausreicht, um die gewünschte Fördergeschwindigkeit
zu erreichen. Dieses Gleichgewicht wird sich sowohl bei Beschleunigung wie bei Verzögerung
und auch bei Betrieb mit der vollen Geschwindigkeit einstellen, die sich 1111 Einzelfalle
nach der eingestellten Lage des Steuerarmes 38 richtet.
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Da die resultierende Steuerspannung dein Betrage nach nur einen Bruchteil
der Spannung am Kondensator 29 ausmacht, genügt eine verhältnismäßig kleine Änderung-
der Kondensator Spannung bzw. der Spannung der Tachometermaschine zu einer Regelung
über den gesamten Steuerbereich hinweg. Dies hat die erwünschte Folge, daß die Änderungen
der Motordrehzahl, welche zur Steuerung der Entladungsstrecke und damit zur Einregelung
einer vorbestimmten mittleren Drehzahl notwendig werden, sehr klein bleiben im Verhältnis
zur totalen Geschwindigkeit des Klotors.
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Der Erfindungsgedanke wurde zwar in erster Linie für Fördereinrichtungen
der beschriebenen Art entwickelt. Er läßt sich jedoch auch für andere Antriebe mit
zweiseitiger Antriebsrichtung, bei denen es auf eine Beeinflussung der Geschwindigkeit
und der Beschleunigung ankommt, beispielsweise zum Antrieb hin und her gehender
Massen oder sich drehender Plattformen, ohne weiteres anwenden. Sinngemäß kann auch
bei Antrieben mit nur einer Bewegungsrichtung die Geschwindigkeit und Beschleunigung
in der angegebenen Weise geregelt bzw. eingestellt werden.