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Regeleinrichtung für über gittergesteuerte Entladungsgefäße gespeiste
elektrische Maschinen, insbesondere Gleichstrommotoren Es ist bekannt, d,aß elektrische
Maschinen, beispielsweise Gleichstrommotoren, über gittergesteuerte Entladungsgefäße
gespeist und durch Beeinflussung der Gitterspannung dieser Entladungsgefäße geregelt
werden können. Es werden dabei vielfach gas- oder dampfgefüllte Entladungsgefäße
verwendet. Weiterhin sind Regeleinrichtungen bekanntgeworden, welche die im Stromkreis
der .elektrischen Maschinen liegenden Entladungsgefäße derart beeinflussen, daß
eine von der natürlichen Kennlinie der Maschine, beispielsweise von der Nebenschlußkennlinie
eines 'Nebens.chlußgleichstrommotors, abweichende Kennlinie, erreicht wird. Regeleinrichtungen
dieser Art sind auch für Gleich stromreihenschlußmotoren vorgeschlagen worden. Bei
ihnen wird die Gittersteuerung der mit dem Motor in Reihe geschalteten Entladungsgefäße
in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße des Motors, z. B. der Drehzahl oder der
Leistung, selbsttätig derart beeinflußt, daß eine Nehenschlußkennlinie des Motors
erzielt wird. Als Ergänzung zu dieser Regeleinrichtung ist vorgeschlagen worden,
den Motor noch mit zusätzlichen Erregerwicklungen auszurüsten, um die Kennlinie
des Motors besonderen Betriebsverhältnissen anpassen zu können. Der Erfindung liegt
ebenso wie den bekannten Regeleinrichtungen die Aufgabe zugrunde, die natürliche
Kennlinie einer elektrischen Maschine, beispielsweise- die bei einem Gleichstrommotor
durch seine innere Schaltung bedingte Kennlinie, abzuändern und den besonderen Betriebsverhältnisseh
anzupassen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß außer der von
:der zu regelnden Maschine her in die Steuerung eingreifenden Größe, im folgenden
als Eingangssteuergröße bezeichnet, und der am Steuergitter des Entladungsgefäßes
wirksamen Größe, im folgenden Ausgangssteuer,größe -genannt, noch eine zusätzliche
Steuergröße in den Regelstromkreis eingeführt wird. Diese zusätzliche Steuergröße
soll im folgenden als Zwischensteuergröße bezeichnet werden: Die Regelkenblinien
dieser drei S;euergrößen, also Eingangssteuergröße, Ausgangssteuergrößc und Zwischensteuergröße,
werden erfindungsgemäß einander derart angepaßt, daß bei gegebener 'Regelkennliniv
des Entladungsgefäßes die beabsichtigte Regelkennlink der elektrischen Maschine
erreicht wird.
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Die Erfindung sei an Hand der in Fig. 1 dargestellten Schaltung eines
Gleichstrommotors erläutert, welcher in bekannter Weise
über ein
gittergesteuertes Quecksilbe.rdampfentladungsgefäß an ein Wechselstro-m-n#-tz angeschlossen
ist.
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Der Motor i ist ein Gleiclistromreih,en: schlußmotor. Er liegt in
der Verbindungsleitung zwischen der Kathode eines Quksilberdampfgleichrichters 2
und .dem Nullpunkt eines Transformators, über den dieser Gleichrichter an ein Drehstromnetz
3 .angeschlossen ist. Ankerwicklung und Erregerwicklung des Motors i sind in Reihe
geschaltet. Mit dem Motor ist eine Tachometer dynamo q. mechanisch gekuppelt, in
deren Ankerkreis ein Widerstand 5 liegt, von dem eine der Drehzahl des Motors i
entsprechende Spannung abgegriffen werden kann. Diese Spannung wird über einen Schalter
6 auf den Gitterkreis des Steuergleichrichters 2 übertragen. Die Spannung des Widerstandes
5 ist die Eingangssteuergröße im Sinne der obengenannten Definition. Der Vollständigkeit
halber ist in den Stromkreis des Motors i noch ein Widerstand 7. geschaltet, der
ebenfalls durch den Schalter 6 an den Steuerkreis des Gleichrichters 2 -angeschlossen
werden kann. In diesem Fall ist die Spannung des Widerstandes 7 die. Eingangssteuergröße
für den Regelstromkreis des Steuergleichrichters 2. Eines der beiden Regelmittel,
d. h. der Widerstand 5 oder der Widerstand 7, werden verwendet, je nachdem es sich
darum handelt, die Regelung von der Drehzahl des Motors i oder von seinem Belastungsstrom
abhängig zu machen. In jedem Fall liefert einer der beiden Widerstände eine von
der zu regelnden Maschine her in die Steuerung eingreifenden Größe, und diese Größe
soll im folgenden als Eingangssteuergröße-bezeichnet werden.
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Irr Gitterkreis des Gleichrichters 2 liegt eine Spule 8, die mit einem
Hilfstransformator 9 verkettet ist. Der Transformator hat zwei Erregerwicklungen
io und i i, von denen die Wicklung io mit einem Wechselstrom konstanter Amplitude
und konstanter Phasenverschiebung gegenüber der Anodenspannung erregt wird, während
die Spule i i von Gleichstrom durchflossen ist. Der Transformator 9 ist so hoch
gesättigt, daß nur in der Nähe des Nulldurchganges der resultierenden Erregung der
beiden Wicklungen io und i i in der Gitterspule 8 Spannungsstöße erzeugt werden.
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Maßgebend für die Phasenlage dieser Spannungsstöße gegenüber den Anodenspannungen
des Gleichrichters 2 und damit für die von dem Gleichrichter abgegebene mittlere
Spannung ist die Größe des in der Wicklung i i des Transformators 9 fließenden Gleichstromes.
Dies ist diejenige Steuergröße, welche am Steuergitter des Entladungsgefäßes wirksam
ist bzw. in den Entladungsvorgang des Gleichrichters steuernd eingreift. Diese Größe
soll im folgenden als die - Ausgangssteuer.größe des 'Regelstromkreises bezeichnet
werden.
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Die beiden Steuergrößen der Schaltung der ;.Fig. i, nämlich die Spannung
eines der Wider-`e#ude 5 und 7 (Eingangssteuergröße) und .,der Strom in der Wicklung
i i (Ausgangssteuergröße), haben eine bestimmte Kennlinie. Die Kennlinie der Spannung
des Widerstandes 5 ist die Abhängigkeit dieser Spannung von der Drehzahl des Motors
i. Die Kennlinie des Stromes in der Wicklung i i ist« gewissermaßen die Kennlinie
des Steuergleichrichters 2. Sie gibt-an, in welcher Form die mittlere Gleichspannung
des Steuergleichrichters von der Größe des Stromes in der Wicklung i i abhängig
ist. Je nach der Art der Schaltung, bei der die Erfindung angewendet wird, wird
.es verschiedene Formen der Kennlinien für die beiden Steuergrößen geben. Die Kennlinie
des Gleichrichters, der durch einen gesättigten Transformator mit einer Wechselstrom-
und .einer Gleichstromerregung .geregelt wird, hat dabei eine andere Form als beispielsweise
die Kennlinie eines Gleichrichters, bei dem der Transformator mit zwei Gleichstromerregungen
ausgerüstet ist.
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Das Wesen der Erfindung liegt nun darin, daß außer den bisher genannten
Steuergrößen, d. h. der Eingangssteuergröße und der Ausgangssteuergröße, noch eine
Zwischensteuergrüße angelvendet wird, die zwischen Eingangssteuergröße und Ausgangssteuergröße
in den Regelstromkreis eingeführt ist. Während bei bekannten Regeleinrichtungen
unter der Voraussetzung einer Schaltung, wie sie in Fig. i dargestellt ist, die
Widerstände 5 oder 7 unmittelbar .auf die Erregeilvicklung i i einwirken, ist gemäß
der Erfindung zwischen die Widerstände 5 oder 7 und die Wicklung i i noch ein zusätzliches
Schaltelement eingeführt. In Fig. i besteht dieses Schaltelement beispielsweise-
iLuseinem strom- oder spannungsabhängigen Widerstand 16. Wesentlich ist, daß auch
dieses Schaltelement eine Reg:1-kennlinie besitzt und daß die Kennlinien der drei
Steuergrößen einander derart angepaßt sind, daß bei gegebener R.egelkennlinic des
Entladungsgefäßes die beabsichtigte Regelkennlinie der elektrischen Maschine .erreicht
wird. ' Es wurde bereits erwähnt, daß die Spannung einer der Widerstände 5 und 7
einerseits und der Strom in der Wicklung i i der Schaltung der Fig. i andererseits
je für sich eine bestimmte Kennlinie besitzen. Beide Kennlinien hängen von den besonderen
Bedingungen der Schaltung der elektrischen Maschine und der Schaltung des die Maschine
speis, -nden Gleichrichters ab. Durch die erfindungsgemäße Einführung einer dritten
SteuergröJ"e
und der Bemessung bzw. Wahl der Kennlinie dieser Steuergröße
wird nun dafür gesorgt, daß die beiden Kennlinien, welche gewissermaßen durch die
Voraussetzungen der Schaltung gegeben sind, mit der Kennlinie der dritten Steuergröße
derart zu einer resultierenden Kennlinie verbunden werden, daß dasjenige Regelverhalten
der elektrischen Maschine bzw. des elektrischen Motors erreicht wird, welches bei
den gegebenen Betriebsverhältnissen ,gerade erwünscht ist.
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Das unterscheidende Merkmal der Erfindung liegt somit in der Einfügung
der Zwisch enstetergröße, die bei .der Schaltung der Fig. i in der Spannung des
Widerstandes 16 liegt. Das hat den Vorteil, daß man jede beliebige Betriebskennlinie
eines Gleichstrommotors erreichen kann, ohne von den Kennlinien der Eingang.ssteuergröße
oder der Ausgangssteuergröße abhängig zu -sein. Wenn irgendeine der bekannten Schaltungsarten
zur Veränderung des Zündzeitpunktes eines Queaksilberdampfgleichrichters :angewendet
wird, so kann die Kennlinie dieser Schaltungsart an die Kennlinie der von dem Motorstromkreis
herrührenden Steuergröße (Eingangssteuergröße) ohne weiteres dadurch angepaßt werden,
#daß der Zwisch ensteuergröße eine von den beiden anderen Steuergrößen abhängige
Kennlinie gegeben wird und im übrigen )eine solche Kennlinie, wie @es das gewünschte
Betriebsverhalten des Motors verlangt. Dieses Ziel wird nicht, wie bei dem obenerwähnten
Vorschlag für die Regelung eines Motors, durch ,eine besondere zusätzliche Erregerwicklung
erreicht, sondern lediglich durch Einfügen einer Hilfsspannung an den Steuerstromkreis
des Gleichrichters. Das Mittel, welches hier zur Lösung der gleichen Aufgabe verwendet
wird, ist somit wesentlich einfacher und vorteilhafter, weil es in den Gitterstromkreis
selbst eingeschaltet ist.
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An Hand der in den Fig. z, 3 und 4 dargestellten Diagramme soll erläutert
werden, wie in einigen besonderen Fällen die Kennlinie der Zwischensteuergröße gewählt
werden muß, wenn bestimmte Kennlinien für die Eingangssteuergröße und die Ausgangssteuergröße
sowie bestimmte Betriebskennlinien der elektrischen Maschine gegeben sind. Es soll
dabei angenommen werden, daß es sich um einen Gleichstromreihenschlußmotor handelt,
der, wie bei der Schaltung der Fig. i, über einen gittergesteuerten Quecksilberdampfg1eichrichter
mit regelbarem Zünd7eitpunkt an eile Wechselstromnetz angeschlossen ist.
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In dem Diagramm der Fig. z sind einige Kennlinien dargestellt, aus
denen ersichtlich ist, wie die dem Reihenschlußmotor zugeführte Spannung sich ändern
muß, wenn eine bestimmte Drehmomentdrehzahlkennlinie erreicht werden soll. Dem Diagramm
sind einige besondere Kennlinienformen zugrunde gelegt, die sich naturgemäß beliebig
vermehren lassen. Weiterhin ist angenommen, daß als Eingangssteuergröße die Drehzahl
des Motors verwendet werden soll, d. h. daß beispielsweise die mit der Drehzahl
.des Motors veränderliche Spannung einer Tachometerdynamo diejenige Steuergröße
darstellt, die am Anfang des zwischen Motor und Gitterkreis des Entladungsgefäßes
liegenden Steuerweges zur Verfügung steht. Selbstverständlich" können ähnliche Kennlinien
für die Steuerung der Motorspannung auch in Abhängigkeit vom Motorstrom bzw. in
Abhängigkeit von der Spannung eines stromdurchflossenen Widerstandes o. dgl. aufgetragen
werden. Die Kennlinien können graphisch oder rechnerisch aus der Grundkennlinie
des Motors, die durch dessen innere Schaltung gegeben ist, entwickelt werden.
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In dem Diagramm der Fig. z sind als Abszissen die Drehzahlen in Prozent
der Nenndrehzahl und ,als Ordinaten die Sp.annungen P in Prozent der Nennspannung
des Motors aufgetragen: Die in dem Diagramm eingezeichneten Kennlinien I bis V gelten
für folgende Drehmomentdrehzahlkennlinien, nach denen der Motor arbeiten soll:
Dabei bedeutet 1Y1 das Drehmoment, a die Drehzahl, N die Leistung des Motors und
c eine Konstante. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß sich bei allen Motorkennlinien
, verschiedene Kennlinien für die Spannung ergeben, die dem Motor durch das Entladungsgefäß
zugeführt wird.
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In dem Diagramm der Fig.3 sind die Kennlinien für die Schaltung dargestellt,
mit , der nach Fig. i der Zündzeitpunkt des Gleichrichters z geregelt wird. Als
Ordinaten sind die Spannurigen P des Steuergleichrichters a und als Abszissen die
Gleiclistromamp.erewindungen Ag der Erregerwicklung i i des i Transformators 9 in
Prozenten aufgetragen. Die drei Stenerkennlinien 13, 14, 15 gelten für verschiedene
Phasenverschiebungswinkel zwischen- der Wechselspannung der Spule i o ° des Transformators
9 und der Anodenspannung i des Steuergleichrichters. Wie das Diagramm zeigt, stellen
die Kennlinien Ellipsen dar,
deren Achsen mit den Koordinatenachsen
einen Winkel von 45' bilden. Die einem Phasenverschiebungswinkel von i2o' entsprechende
Kennlinie 13 ist eine in der Achse der Ellipsen liegende Gerade. Die beiden Kennlinien
14 und 15 gelten je für Phasenverschiebungswink e1 von 9o bzw. 6o°. Die stark gezeichneten
Teile der Kennlinie stellen den Änderungsbereich dar, welcher für die Steuerung
der Spannung des Gleichrichters 2 in Frage kommt.
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Um nun bei gegebener Steuerkennlinie des Entladungsgefäßes bzw. bei
gegebener Kennlinie der Ausgangssteuergröße und bei ebenfalls gegebener Kennlinie
der Eingangssteuergröße, die von dem Motor abhängig ist, - die beiden Kennlinien
gewissermah-n aneinander ' anzugleichen und trotz der zwischen ihnen vorhandenen
Abweichungen die gewünschte Drehmomentdr.ehzahlkennlinie des Motors zu erreichen,
wird gemäß der Erfindung in den Steuerstromkreis die Zivischensteuergröße eingeführt.
Bei der Schaltung der Fig. i ist es die Spannung des Widerstandes 16, welcher zwischen
die beiden Widerstände 5 oder 7 und die Wicklung i i des Transformators 9 geschaltet
ist. Dieser Widerstand 16 hat die Eigenschaft, daß seine Leitfähigkeit mit Spannung
oder Strom veränderlich ist. Für die geradlinige Steuerkennlinie 12 nach Fig. 3
sind in Fig. 4. .die in dem von der Tachometerdynamo gespeisten Kreis notwendigen
Gesamtiviaerstände R in Abhängigkeit vom Strom bzw. den - AmperewindungenAg der
i i aufgetragen. .Die Kurve 17 gilt für eine Momentenkennlinie M = c #:n,
die Kurve 18 für l1'1 = c # a°. Man sieht aus dem Verlauf der Kurven, daß
es für diesen Fall zweckmäßig ist, den Widerstand 16 nach Fig. 2 aus einem konstanten
Anteil. und einem mit steigendem Strom kleiner werdenden Widerstand zusammenzusetzen.
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An Stelle eines Strom- oder spannungsabhängigen Widerstandes können
auch andere Vorrichtungen benutzt werden. Man kann z. B. als Zwischensteuergröße
den Spannungsabfall an einem Widerstand veni,enden, dessen Str ombelastung' in Abhängigkeit
vom Motorstrom, von der Motorspannung oder Drehzahl bestimmt wird. Es wurde bereits
,erwähnt, daß ein vom geradlinigen abweichender Verlauf der Tachometerspannung zur
Erzielung einer bestimmten Stromkennlinie in Abhängigkeit von der Drehzahl verwendet
werden kann. Dies kann z. B. durch geeignete Sättigung der Leerlaufkennlinie der
Tachometerdynamo .erzielt werden oder auch dadurch, d:aß :äußer der Fremderregung
noch eine Reihenschlußerregung vorgesehen ist, oder auch Fremderregungen, die nicht
von einer konstanten Stromquelle, sondern von .einer anderen Eingangssteuergröße,
z. B. proportional Motorstrom oder Motorspannung, beeinflußt werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Schaltung nach Fig.5. Zur
Steuerung des Entladungsgefäßes 2o, welches den Motor 2 i speist, dient in diesem
Fall ein Transformator 22, der mit zwei Wechselstrom@erregungen 23 und 24 ausgerüstet
ist, die gegeneinandergeschaltet und in der Phase um einen bestimmten Winkel gegeneinander
verschoben sind. Auch bei dieser Steuerung ist der Transformator so hoch gesättigt,
daß in der im Gitterkreis liegenden Spule 25 nur dann ein Spannungsstoß auftritt,
wenn die resultierende Erregung des- Transformators durch Null geht. Die konstante
Wechselspannung des Gittertransformators wird von einem Transformator 26 geliefert,
während die veränderliche Spannung von einem Hilfsgenerator 27 erzeugt wird. Reihentransformatoren
28 dienen zur Einstellung des festen Phasenverschiebungswinkels.
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Die gemäß der Erfindung in den Gitterstromkreis einzufügende Zwischensteuergröße
wird von einer D.rosselspulenanordnung 29 geliefert, deren WechseIstromwicklungen
in den Stromkreis-der Spule 2:1 des Transformators 22 geschaltet sind und die mit
einer vom Hilfsnetz 3o gelieferten konstanten Gleichstromerregung und einer von
der Tacho@m@eterdynamo abhängigen veränderlichen Gleichstromerregung ausgerüstet
sind.
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Die Steuerkennlinie für das Steuerverfahren mit zwei Wechselstromerregungen
des Transformators 22 lest in Fig. 6 dargestellt. Der stark .ausgezogene Teil der
Kennlinie gibt wieder den betriebsmäßig verwertbaren Teil an. Als Ordinaten sind
die Spannungen P des Stromrichters, als Abszissen das Verhältnis
der in den beiden WeclisL-lstromerregerwicklungen 23, 24 des Transformators 22 fließenden
Ströme aufgetragen. Es ist dabei eine Phasenverschiebung von 3o" zwischen den Strömen
1;;1 und I_3 vorausgesetzt.
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In welcher Weise durch die im Stromkreis der Spule 2.1 liegende Drosselspulenanordnung
29 verschiedene Hilfsspannungen, d. h. verschiedene Zivischensteuergrößen, erreichbar
sind, zeigt das Diagramm der Fig.7, in dem als Ordinaten die Spannungen E'd der
Drosselspulen und als Abszissen die Erregerwechselströme 1d aufgetragen sind. Die
Kurve 25 gilt nicht für vorhandene Gleichstromvorm:agnetisierung; die Kurven 36,
37, 38 entsprechen zunehmender Vormagnetisierung der Drosselspulen.
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Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß sich durch das Mittel der gleichstromvormagnetisierten
Drosselspulen Spannungen der
verschiedensten Abhängigkeit von der
Gleich stromm,agnetislerung .erzielen lassen und daß daher durch dieses Mittel eine
gegebene Kennlinie der von der zu regelnden Maschine. abhängigen Eingangssteuergrä:ße
mit mehr oder weniger großer Genauigkeit der= gewünschten Kennlinie der Spannung
des' Entladungs,gefäßes angleichen läßt.
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Als ein weiteres Mittel zur Erzielung bestimmter Kennlinien für den
Änderungsverlauf der dem Gitter des Entladungsgefäßes zugeführten Spannung können
Brückenschaltungen angewendet werden.
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Fig.8 zeigt das Schema einer solchen Brückenschaltung, bei der ,an
die Wicklung 40 eines Transformators in Reihenschaltung ein Kondensator 41 und ein
veränderlicher Widerstand 4z angeschlossen sind. -Die Gitterspannung des Entladungsgefäßes
43 wird zwischen einer Mittelanzapfung des Transformators 40 und,dem Verbindungsp.urikt
zwischen Kondensator 41 und Widerstand 4a ,abgegriffen. Bei Änderungen des Widerstandes
42 ändert sich. bekanntlich die Phasenlage .der Gitterspannung gegenüber -der Spannung
des Transformators 4o. Die Kennlinien für diesen Änderungsverlauf zeigt Fig. g.
Je nach Größe des Kondensators 4i (w C= 0,a bzw. i,o bzw. 5) ergeben sich
in Abhängigkeit von dem Widerstand 42 (Abszissen r) verschiedene Kurven für den
Änderungsverlauf des Pliasenverschiebungswinkel (Ordinaten @) zwischen. Anoden.-,
und Gitterspannung.
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Bei der Brückenschaltung nach Fi,g. io ist zu einem veränderlichen
Widerstand 45 ein veränderlicher Kondensator 46 parallel geschaltet. .Die Kennlinien
dieser Schaltung ergeben sich -aus Fig. i z . Die Zahlenangaben für (-a C gelten
für den Kondensator 46.