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Anordnung zur elektrischen Regelung physikalischer Größen Zur Regelung
physikalischer Größen verwendet man vielfach umlaufende Vergleichsglieder, die mit
einer Drehzahl entsprechend Ist- bzw. Sollwert angetrieben werden. Bei einer bekannten
Ausführung dieser Art ist das eine Vergleichsglied mit einem gabelförmigen Kontakt
ausgeführt, zwischen dem sich ein von dem anderen Vergleichsglied angetriebener
Kontaktstift befindet. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß bei geringen Unterschieden
zwischen Ist- und Sollwert die Annäherung ebenso wie auch die Öffnung der Kontakte
im Verlauf eines Regelvorganges sehr langsam erfolgt. Außerdem ist der Kontaktdruck
wesentlich von dem auftretenden Geschwindigkeitsunterschied abhängig, so daß unter
Umständen das die eigentliche Regelung herbeiführende Organ, z. B. der Verstellmotor,
nicht immer mit Sicherheit anspricht. Diese Einrichtung hat außerdem den Nachteil,
daß bei einer Berührung der Kontakte stets eine Regelung eingeleitet wird, die keine
Rücksicht darauf nimmt, wie groß der Betrag der Abweichung war, so daß auch Überregelungen
eintreten können.
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Ferner ist eine Einrichtung zur Konstanthaltung der Geschwindigkeit
eines Motors bekannt. Die erforderliche konstante Vergleichsdrehzahl wird von einem
Uhrwerk geliefert. DieAnordnung ist bestimmt fürUhrenstempel, Zeitzonenzähler o.
dgl. Im einzelnen ist diese bekannte Einrichtung so aufgebaut, daß auf der Welle
sowohl des zu regelnden Motors als auch des Vergleichsuhrwerkes eine Nockenscheibe
angebracht ist, deren jede auf dem halben Umfang einen anderen Durchmesser aufweist.
Jede Nockenscheibe dient zur Betätigung eines Kontaktes, der somit während der halben
Dauer einer Umdrehung geschlossen ist. Mittels der beiden in dieser Weise
betätigten
Kontakte werden zeitweise zwei Relais erregt, deren Kontakte einen Stromkreis für
zwei weitere Relais vorbereiten, bei deren Ansprechen ein Verstellorgan eingeschaltet
wird. Das Ansprechen dieser beiden weiteren Relais ist zusätzlich noch von dein
Ansprechen eines Halterelais abhängig, das selbst wieder nur dann erregt «,-erden
kann, wenn die beiden von den Nockenscheiben betätigten Kontakte gleichzeitig geschlossen
sind. Diese Einrichtung erfordert einen beträchtlichen Aufwand an Schaltmitteln
und ist daher nur für empfindliche Anlagen der eingangs erwähnten Art verwendbar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen
Regelung physikalischer Betriebsgrößen mittels umlaufender. als Nockenseheiben mit
Stellen verschiedenen Durchmessers ausgebildeter Vergleichsorgane für Ist- und Sollwert.
Eine' erhebliche Vereinfachung im Aufbau wird erfindungsgeniäl.j dadurch erreicht,
dah jede der beiden \ockenscheiben einen Wechselkontakt im Verlauf einer Umdrehung
hin und her bewegt, und daß jeweils durch den einen Wechselkontakt ein Stromkreis
für ein Verstellorgan geschlossen wird, sofern und solange der andere Wechselkontakt
die entgegengesetzte Stellung einnimmt. Die Anordnung dient in der Hauptsache zur
Regelung von Leistung und Spannung, ist aber mit besonderem Vorteil auch bei der
Regelung der Frequenz anwendbar, aus Gründen, die später erläutert werden. Im Falle
der Leistungsregelung wird zum Antrieb des Vergleichsorgans für den Istwert ein
Zähler verwendet, der mit einer dem Betrag des Leistungsflusses entsprechenden Geschwindigkeit
umläuft. Zweckmäßig ist es hierbei, das auf den Zähler wirkende Drehmoment aus der
Stimme eines konstanten und eines mit der 1leßgröl)e veränderlichen Drehmomentes
zusammenzusetzen.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine Anordnung zur Regelung einer Leistung, Abb.
2 eine Anordnung zur Regelung einer Spannung.
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In Abb. i sind mit 1, 2, 3 die drei Phasen einer Leitung bezeichnet,
deren Leistungsfluß auf einen vorgeschriebenen Sollwert einzuregeln ist, Das Vergleichsorgan
für den Istwert ist mit 4 bezeichnet und besteht in diesem Falle aus zwei Triebsystemen
;und 5a, wie sie bei Wattstundenzä hlern verwendet werden. Beide Triebsysteme sind
auf der gleichen Achse 6 befestigt. Das Triebsystem 5 enthält eine Spannungsspule
7, welche über die Sekundärwicklung eines Spannungswandlers 8 über die Leitungen
9 und io erregt wird. In der Leitung 9 befindet sich ein im N N ormalfall geschlossener
Kontakt i i eines Relais, das später erwähnt wird. Die Primärwicklung des Wandlers
8 ist an die Phasen i und 3 des zu regelnden Stromkreises angeschlossen. Das Triebsystem
@ enthält ferner eine Stromspule 12, die über die Leitungen 13, 14 in der gezeichneten
Weise an zwei Stromwandler 15, 16 angeschlossen ist. Durch das Zusammenwirken der
Spulen ; und 12 wird auf das Triebsystem 5 ein Drehmoment ausgeübt, das dem Leistungsfluß
in den Leitungen 1, :2, 3 entspricht.
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Das Triebsystem 511 ist mit zwei Spulen 17, 18 versehen, die untereinander
parallel geschaltet und mit einem Ende an einen Spannungswandler 2o angeschlossen
sind. Das andere Ende der beiden Spulen ist über die Leitung 21 und den Kontakt
i i bei 22 an Erde gelegt, so daß die Verbindung mit der Erdung 23 des Spannungswandlers
2o hergestellt ist. Die Spulen 17, i8 erzeugen ein auf das Triebsystem
5" wirkendes Drehmoment unveränderlicher Größe. Vor der Spule 18 liegt ein
Widerstand 24, der zur beliebigen Einstellung des konstanten Drehmoments dient.
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Die `'Felle 6 trägt eine Nockenscheibe 25, die zur Betätigung des
Hebels 26 eines Wechselkontakts dient. Der Hebel 26 des Wechselkontakts ist bei
27 drehbar gelagert und trägt einen Kontakt 28, der je nach der Stellung des Hebels
mit einem der Gegenkontakte 29 oder 30 in Verbindung steht. In der gezeichneten
Stellung stehen die Kontakte 28 und 29 miteinander in Verbindung. und es ist eine
Feder 31 vorgesehen, die den Hebel 26 stets aus dieser Stellung entfernt, sobald
dies bei der Drehung der \Tockenscheibe 2; möglich ist. Diese Nockenscheihe enthält
an ihrem Umfang drei Teile verschiedenen Durchmessers, die mit 32, 33, 34 bezeichnet
sind. Liegt der Hebel 26 auf dem mit 32 bezeichneten Teil des Umfanges auf, so befindet
sich der Kontakt 28 in derMittelstellung und steht mit keinem der Gegenkontakte
in Berührung. Dieser Teil umfaßt den halben Umfang der Nockenscheibe. Liegt der
Hebel 26 auf dem Teil 33 auf, dann berühren sich die Kontakte 28, 29. Liegt schließlich
der Hebel 26 auf dem Teil 34 auf, dann berühren sich die Kontakte 28 und 30. Für
eine Drehung von 18o° befindet sich der Hebel 26 in der Mittelstellung, für die
nächstfolgenden 9o'-) in der untersten, für die letzten 9o` einer vollen Umdrehung
in der obersten Stellung. Der Übergang von einer Stellung zur anderen vollzieht
sich infolge entsprechender Ausbildung der Nockenscheibe sprunghaft.
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Die Anordnung enthält ferner eine nicht gezeichnete Hilfsstromquelle,
die an die Leitungen 35 und 47 angeschlossen ist. Die Leitung 35 führt über den
Drehpunkt 2; und
den Hebel 26 zu dem Kontakt 28. Der Kontakt 29
ist über die eine Relaiswicklung 36a zu dem Gegenkontakt 37 des Sollwertorgans4a
geführt. Das Sollwertorgan selbst ist mit 4a bezeichnet. Der andere Gegenkontakt
30 ist über eine Relaiswicklung 38 mit dem Gegenkontakt 49 des Sollwertorgans
verbunden.
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Das Sollwertorgan 411 besteht aus einer Nockenscheibe 44 die gleichartig
mit der i@Tockenscheibe a5 des Istwertorgans ausgebildet ist. Am Umfang der Nockenscheibe
41 liegt ein Hebel 42 auf, der mit einem Kontakt 43 versehen ist. Der Drehpunkt
des Hebels- ist mit 44 bezeichnet. Der Hebel selbst wird durch eine Feder 45 stets
aus der gezeichneten Stellung herausbewegt, sobald es die Form der Nockenscheibe
zuläßt. Der Drehpunkt 44 ist über die Leitung 47 mit der erwähnten Hilfsstromquelle
verbunden.
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Die beiden Schalthebel 26 und 42 steuern die Erregung der beiden
Relaiswicklungen 3611 und 38, und zwar so, daß die Wicklung 36a nur dann und nur
so lange erregt ist, als der Schalthebel 26 sich in der unteren, der Schalthebel
42 in der oberen Stellung befindet. Dementsprechend wird die Relaiswicklung 38 nur
dann erregt, wenn sich der Schalthebel 26 in der oberen, der Schalthebel 42 in der
unteren Stellung befindet.
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Die Welle 46 wird von zwei Triebsystemen 48, 49 in Drehung versetzt,
deren jedes zwei Wicklungen 50 und 51 besitzt. Die Ausführung der Triebsysteme
entspricht der eines Wattstundenzählers, nur läuft die Achse 46 mit einer konstanten
bzw: einstellbaren Geschwindigkeit um. Zur willkürlichen Veränderung der Geschwindigkeit,
d. h. zur Einstellung des Sollwertes, dient der Widerstand 55a. Das Relais 36, welches
eine Höherregelung bewirkt, ist mit dem üblicherweise geschlossenen Kontakt 55 und
mit dem üblicherweise offenen Kontakt 56 ausgerüstet. Die entsprechenden Kontakte
des zur Abwärtsregelung dienenden Relais 39 sind mit z r bzw. 57 bezeichnet. Beim
Ansprechen eines der beiden Relais wird über den jeweils wirksamen Kontakt 56 bzw.
57 der Verstellmotor 6o an Spannung gelegt, wobei für dessen Drehsinn eine der beiden
Feldwicklungen 58 bzw. 59 maßgeblich ist.
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Die Anordnung arbeitet wie folgt: Bei Übereinstimmung von Ist- und
Sollwert haben die Nockenscheiben 25 und 41 die gleiche räumliche Stellung und drehen
sich mit gleichbleibender Geschwindigkeit. Während der ersten Hälfte einer Umdrehung
liegen die Hebel 26 bzw. 42 auf dem Teil mittleren Durchmessers auf, so daß beide
Wechselkontakte offen sind. Im dritten Viertel einer Umdrehung ist die gezeichnete
Stellung erreicht, d. h. es stehen die Kontakte 28, 29 bzw: die Kontakte 4o und
43 miteinander in Verbindung. Im letzten Viertel der Umdrehung liegen beide Schalthebel
auf dem Teil geringsten Durchmessers auf, so daß einerseits die Kontakte 28, 3o,
andererseits die Kontakte 37, 43 geschlossen sind. Während dieses ganzen Vorganges,
der sich von einer Umdrehung zur anderen wiederholt, wird ein Stromkreis weder für
die Wicklung 3611 noch für die Wicklung 38 geschlossen. Solange also Synchronismus
und Phasengleichheit in der Bewegung der beiden Nockenscheiben besteht, wird der
Verstellinotor nicht eingeschaltet.
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Eine Einschaltung dieses Motors und damit eine Regelung erfolgt erst
dann, wenn sich die Stellungen der beiden Nockenscheiben ändern bz-,v. wenn sich
deren Drehgeschwindigkeiten ändern. Sinkt beispielsweise die Leistung in dem zu
regelnden Stromkreis, dann läuft die Welle 6 mit geringerer Geschzvindigkeit um
als die Welle 46. Der Hebel 26 ist dann noch im dritten Viertel der Umdrehung in
der unteren Stellung, während der Hebel 42 bereits in die obere Stellung übergegangen
ist. Es besteht dann ein Stromkreis für das Relais 36, der von der nicht gezeichneten
Hilfsstromquelle über die Leitung 47, die Kontakte 43, 37, die Wicklung 36a, die
Kontakte 29, 28 und die Leitung 35 verläuft. Dementsprechend wird das Relais 36
erregt und schaltet mit seinem Kontakt 56 den Verstellmotor 6o im Sinne einer Aufwärtsregelung
ein. Dieser Vorgang dauert so lange, bis bei der Weiterdrehung der Welle 6 der Hebel
26 ebenfalls nach oben umgelegt und dadurch die Kontakte 28, a9 geöffnet werden.
Das Maß der Regelwirkung ist daher stets der Größe der Winkel- bzw. Drehzahlabweichung
angepaßt. Während des Regelvorganges wird an dem Kontakt 55 des Relais 36 der Stromkreis
für die beiden Triebsysteme des Sollwertorgans unterbrochen. Das Sollwertorgan und
damit die i\Tockenscheibe 41 bleibt daher in der zuletzt eingenommenen Stellung
stehen, und zwar so lange, bis die Nockenscheibe 25 des Istwertorgans die gleiche
Stellung erreicht und demzufolge die Wicklung 36a wieder abgeschaltet hat. Auf diese
Weise ist gewährleistet, daß beide Nockenscheiben stets eine übereinstimmende Stellung
einnehmen. Die Anordnung eignet sich daher auch besonders gut zur Frequenzregelung,
weil auf diese Weise nicht bloß Soll- und Istfrequenz in Cbereinstimmung gebracht
werden, sondern weil stets eine Phasenübereinstimmung in den Stellungen beider Nockenscheiben
herbeigeführt wird, d. h. daß auch ein Zeitfehler stets beseitigt wird.
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Ganz ähnlich ist der Vorgang, wenn die Welle 6 schneller läuft als
die Welle 46. In
diesem Fall wird der Schalthebel 26 aus der gezeichneten
Stellung früher nach oben umgelegt als der Schalthebel 42, so daß ein Stromkreis
für das Relais 38 besteht. Dieser Stromkreis verläuft von der nicht gezeichneten
Hilfsstromquelle über die Leitung 35, die Kontakte 28, 3o, die Relaiswicklung 38.
die Kontakte .4o, 4.3 und die Leitung .a.7. Dieser Stromkreis wird unterbrochen
und die Regelung beendet, wenn bei der Weiterdrehung der Welle 46 die Nockenscbeibe
4.1 die gleiche Stellung erreicht und den Hebel 42 nach oben umgelegt hat. Durch
das Ansprechen des Relais 38 wird einerseits über den Kontakt 57 der Verstellmotor
6o im Sinne der Abwärtsregelung eingeschaltet. Gleichzeitig wird an dem Kontakt
i i der Stromkreis für die Triebspule 7 abgeschaltet und das Triebmoment für die
Dauer des Regelvorganges reduziert. Auch in diesem Fall ist daher eine Wiederherstellung
der phasengleichen Stellung der beiden Nockenscheiben gewährleistet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.2 handelt es sich um die Regelung
einer Spannung mit Hilfe eines Drehreglers 62, dessen Rotor mechanisch mit dem Verstellmotor
6o gekuppelt ist. Zur Speisung des Verstellmotors dient eine Hilfsstromquelle, die
ah die Leitungen 61 angeschlossen ist. In diese Leitungen wird der Verstellmotor
durch die Relaiskontakte 56 bzw. 57 eingeschaltet. Die Nockenscheibe 25 wird entsprechend
dem Mittelwert der Spannung in den Leitungen i, 2, 3 angetrieben, und zwar durch
ein Triebsystem, das aus den Wicklungen 63, 64 besteht. Diese beiden Wicklungen
sind zueinander parallel geschaltet und über Leitungen 65, 66 an die Sekundärseite
eines Spannungswandlers 67 angeschlossen. In die Leitung 65 ist der Ruhekontakt
i i eingeschaltet, dessen Wirkung der des gleichbezeichneten Kontakts nach Abb.
i entspricht. Das Triebsystem 5 besteht aus zwei Wicklungen 68, 69, die untereinander
parallel an die Leitungen 66, 7o angeschlossen sind. Dabei ist die Leitung
70 über den normalerweise offenen Kontakt 71 des Regelrelais geführt. Dieser
Kontakt entspricht in seiner Wirkung dem Kontakt 55 nach Abt). i.
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Die Nockenscheibe 41 des Sollwertorgans wird in geeigneter Weise,
z. B. mittels eines Synchronmotors o. dgl., mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben,
Die Drehgeschwindigkeit dieser Nockenscheibe braucht während der Synchronisierperiode
nicht verändert zu werden. Zum Antrieb kann auch hier ein Svstem nach Art eines
Wattstundenzählers verwendet werden.
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Um mit Riicksicht auf genaue Spannungshaltung die Abweichung zwischen
den Stellungen der Nockenscheiben 25 und ..t1 möglichst gering zu halten, ist einerseits
die Scheibe 7d., andererseits der Anschlag 76 vorgesehen. Durch entsprechende Ausbildung
dieser beiden Organe wird erreicht, daß eine Stellungsabweichung von mehr als 9o°
nach jeder Seite nicht auftreten kann.
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Die Wirkungsweise der Anordnung entspricht im wesentlichen der nach
Abb. i, wobei die Relais 36a und 38 für Auf- und Abwärtsregelung jeweils für eine
Zeit erregt werden, als der Größe der Abweichung entspricht.
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Wird in der an Hand der Abb. i beschriebenen Weise das Relais 36a
erregt, so schließt dieses seine Kontakte 56 und 71, «wodurch der Verstellmotor
6o an Spannung gelegt wird und außerdem das Triebsystem 68, 69. Die Einrichtung
ist so getroffen, daß das dadurch hervorgerufene Drehmoment gleich ist dem Drehmoment,
das durch die Spulen 63, 64. erzeugt -wird. Das gesamte auf die Welle 6 einwirkende
Drehmoment wird also für die Dauer der Regelung verdoppelt und demnach auch die
Umlaufgeschwindigkeit dieser Welle. Ist umgekehrt das Relais 38. erregt worden,
so wird der Kontakt 57 geschlossen und der Verstellmotor im umgekehrten Sinne in
Gang gesetzt. Gleichzeitig wird aber der Kontakt i i geöffnet und dadurch die Erregung
für die Spulen 63, 64 unterbrochen, so daß die Nokkenscheibe 25 stehenbleibt so
lange, bis wieder Übereinstimmung der Stellungen beider Nockenscheiben erreicht
ist.
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In manchen Fällen, z. B. bei der Regelung einer Spannung mittels eines
Stufentransformators, empfiehlt es sich nicht, jede noch so geringe Abweichung zur
Auslösung einer Verstellbewegung zu verwenden, weil sonst an den Stufenkontakten
Funken auftreten und eine unnötige Abnutzung derselben erfolgt. Um derart geringe
Abweichungen aus der Regelung fernzuhalten, ist ein Zeitelement 77 in der Leitung
des Verstellmotors vorgesehen. Dieses Zeitelement, das beliebig ausgeführt sein
kann und eine gewisse Ansprechverzögerung besitzen muß, verhindert die Auswirkung
aller Regelimpulse, deren Dauer unterhalb einer bestimmten Grenze liegt. Die Anordnungen
können auch in anderer Weise ausgebildet bzw. verwendet werden, beispielsweise zur
Verstellung von Drehreglern, von Drehzahl- oder Leistungsreglern, von Regelwiderständen,
Zellenschaltern o. dgl.
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Das Sollwertorgan 4.a wird in beiden Fällen mit einer konstanten Geschwindigkeit
abgetrieben, die von Hand oder selbsttätig eingestellt wird. Durch willkürliche
Veränderung dieser Geschwindigkeit ist eine Fahr= planregelung möglich.