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Meßverfahren zur Bestimmung der Phasenschleppung und des Amplitudenschwundes
von Regelgeräten und Regelkreisen Eine Regeleinrichtung hat die Aufgabe zu erfüllen,
den erwünschten Betriebszustand einer Anlage aufrechtzuerhalten. Die Regelanlage
ist aus einzelnen Regelgliedern, nämlich dem Meßwerk, dem Verstärker, dem Kraftschalter
und dem Stellmechanismus, aufgebaut. Je nach den gewählten Regelverfahren sind die
einzelnen Glieder durch eine Rückführeinrichtung oder durch die Anwendung von Differenzier-
bzw. Integriereinr,ichtungen zu einem Regelkreis zusammengeschaltet. Der Regelverlauf
einer solchen Regelanlage erfolgt nach gewissen mathematischen Gesetzmäßigkeiten.
Eine genaue Kenntnis der Phasenschleppung und des Amplitudenschwundes der einzelnen
Regelglieder und des gesamten Regelkreises in Abhängigkeit von der auftretenden
Regelfrequenz ist erforderlich, um die richtigen mathematischen Konstanten bei der
Durchrechnung und dem Entwurf eines Regelkreises einsetzen zu können. In folgendem
ist ein Meßverfahren sowie eine Einrichtung zu dessen Durchführung beschrieben,
mit der über einen gewünschten Frequenzbereich von 0=3o Hz und mehr kontinuierlich
die Phasenschleppung und der Amplitudenschwund von Regelgeräten und Regelkreisen
sehr schnell und genau gemessen werden kann.
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Fig.I zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Schaltung der Meßeinrichtung;
Fig. II und III zeigen ein Gerät zur Erzeugung von elektrischen sinusförmigen Wechselspannungen
kleiner Frequenz.
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Das erfindungsgemäße Meßverfahren besteht darin, daß das zu messende
Regelgerät, z. B. das Leonardaggregat 2o (Fig. I), durch einen Erzeuger 2
sinusförmiger
Wechselspannung, deren Frequenz durch die Drehzahl des Motors i und deren Amplitude
durch die Betätigung .des Schleifers des Potentiometers 8 einstellbar ist, eingangseitig
gespeist wird und daß die 'vom Regelgerät ausgangseitig gelieferte Spannung durch
die Spannung eines zweiten Erzeugers sinusförmiger Wechselspannung 3, deren Frequenz
ebenfalls durch die jeweilige Drehzahl des Motors i gegeben ist, kompensiert wird
unter Benutzung eines Gleichstrominstruments 18 als Kontrollinstrument der Kompensation,
die durch stückweise Verstellung des Schleifers von Potentiometer 9 und Verdrehen
des Widerstandes 14 des Generators 3 gegenüber dem Widerstand 14 des Generators
2 erreicht wird, so daß der benötigte Verdrehwinkel des Schleifers von Potentiometer
9 ein Maß für den Amplitudenschwund und der Verdrehwinkel der Widerstände 14 relativ
zueinander ein Maß für die Phasenschleppung des zu messenden Regelgerätes ist.
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Der Aufbau der Meßeinrichtung nach Fig. i ist folgender: Ein in seiner
Drehzahl weitgehend durch bekannte Mittel regelbarer Elektromotor i treibt Potentiometer
2 und 3, deren konstruktive Gestaltung Fig. II und III zeigt, symmetrisch an. Diese
Potentiometer 2 und 3, die durch je zwei Widerstände 4, 5 und 6, 7 elektrisch symmetriert
sind, und über je einen Spannungsteiler 8 und 9 an einer Gleichstromquelle, deren
-h -Pol an der Stromschiene io und deren --Pol an der Stromschiene i i liegt, liefern
auf Grund ihrer Konstruktion eine Wechselspannung, deren Frequenz proportional der
Drehzahl des Motors i und deren Amplitude proportional der Einstellung der Spannungsteiler
8 und 9 ,ist. Da die Potentiometer 2 und 3 räumlich symmetrisch in dem gemeinsamen
Gestell 13 angeordnet sind und über ein symmetrisch gebautes Getriebe 12 angetrieben
werden, ist die Phasenlage der Wechselspannungen und gegebenenfalls auch der Wechselströme
von Potentiometer 2 und 3 die gleiche. Die Potentiometer 2 und 3 sind so konstruiert,
daß die Potentiometerwiderstände 14 räumlich gegenüber den durch den Motor i und
das Getriebe 12 angetriebenen Abgriffsschleifern 16 von Hand verdreht werden können.
Der Verdrehwinkel wird durch eine Skala an .der Grundplatte, auf der die Potentiometerwiderstände
14 angebracht sind, angezeigt.
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Der Verdrehwinkel des Potentiometers 3 in Fig. I besitzt gegenüber
dem Verdrehwinkel des Potentiometers 2, wie beispielsweise dargestellt, einen Wert
von 3o°. Damit ist auch der Wechselstrom, den das Potentiometer 3 über das Drehspulvoltmeter
18 liefert, in seiner Phasenlage um 30° gegenüber dem von Potentiometer 2 an die
Feldwicklung i9 gelieferten Wechselstrom verschoben, hier z. B. nacheilend.
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Der Wechselstrom in der Feldspule i9 erregt die Dynamomaschine 22
eines Leonardsatzes 2o, der z. B. das Stellglied einer Regelanlage darstellt, welches
in seiner Phasenschleppung und in seinem Amplitudenschwund in Abhängigkeit von der
Erregerfrequenz geprüft werden soll. Der Leonardsatz 20 besteht aus dem Antriebsmotor
21, hier als Drehstrommotor dargestellt, der Kommutatormaschine 22 und dem Elektromotor
23, der z. B. die Luftdrosselklappe einer Heizungsanlage oder das Steuerruder eines
Flugzeuges betätigt.
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je nach dem zu regelnden Objekt, wie Heizungsanlage oder Flugzeugruder
usw., sind die Forderungen, die an die Güte der elektrischen und mechanischen Zeitkonstante
des Leonardsatzes gestellt werden müssen, verschieden. Wird z. B. der Leonardsatz
2o in einer Regelanlage nach dem Laufgeschwindigkeitsprinzip verwendet, dann wird
für obige Messung der Motor 23 mit einer elektrischen Tachometerdynamomaschine 24,
deren maximale Spannungsabgabe durch den Spannungsteiler 25 begrenzt werden kann,
gekuppelt. Die Dynamomaschine 24 ist vorteilhaft mit einem eisenlosen Glockenanker
kleinsten Schwungmomentes ausgebildet, um die mechanische Zeitkonstante des Motors
23 nicht zu fälschen. Die Spannungsdrehzahlkennlinie der Tachometerdynamomaschine
24 muß über den ganzen Meßbereich linear sein.
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Die Spannung der Maschine 24 liegt ebenfalls, aber entgegen der Spannungsrichtung
des Potentiometers 3, an dem Drehspulvoltmeter 18.
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Die Prüfung der Phasenschleppung und des Amplitudenschwundes des Leonardsatzes
2o in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz erfolgt folzendermaßen: Die Abgriffsschleifer
der Spannungsteiler 9 und 25 und 8 sowie die Skalen der Potentiometer 2 und 3 werden
auf die Stellung o gedreht. Die Welle des noch stillstehenden Motors i wird von
Hand so lange verdreht, bis die Abgriffsschleifer der Potentiometer 2 und 3 an einem
Ende der Widerstände 14 stehen. jetzt wird der Spannungsteiler 8 so einreguliert,
daß der fremderregte Motor 23 des Leonardaggregates 20 seine maximale Drehzahl erreicht,
so daß damit die Tachometerdynamomaschine 24 ihre maximale Spannung abgibt. Durch
gleichzeitiges Verschieben der Schleifer der Spannungsteiler 25 und 9 kann erreicht
werden, daß der Zeiger des Drehspulinstrumentes 18, dessen o-Punkt in der Mitte
der Skala liegt, auf dieser o-Stellung verbleibt, da die Spannung der Tachometerdynamomaschine
24 gegensinnig wie die Spannung des Potentiometers 3 am Voltmeter 18 liegt und die
Spannungen sich so kompensieren. Die beiden Schleifer werden so lange in dieser
Weise verdreht, bis der Schleifer des Spannungsteilers 9 am anderen Ende des Widerstandes
liegt. Voraussetzung dazu ist, daß die Spannung, die die Tachometerdynamomaschine
24 bei der maximalen Drehzahl des Motors 23 vom Leonardsatz 20 liefert, größer ist
als die Klemmenspannung der Stromschienen io und i i, was durch ein passendes Über-
bzw. Untersetzungsgetriebe zwischen den Motor 23 und der Tachometermaschine 24 stets
erreicht werden kann.
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Wird jetzt der Motor i an Spannung gelegt und seine Drehzahl langsam
kontinuierlich gesteigert, dann geben die Potentionieter 2 und 3 je eine
Wechselspannung
ab, deren Frequenz proportional der Drehzahl des Motors i ist. Die von dem Leonardsatz
20 angetriebene Tachometerdynamomaschine 24 liefert somit infolge des Pendelns der
Welle ebenfalls eine `Wechselspannung, die aber wegen der elektrischen und mechanischen
Zeitkonstante des Leonardsatzes 2o eine Phasenschleppung gegenüber dem Potentiometer
3 besitzt. Aus dem gleichen Grunde ist die maximale Spannungsamplitude der Tacliometerdynamomaschine
24 kleiner geworden. Es liegt jetzt an dem Voltmeter 18 eine Spannung, die aus der
Überlagerung der Wechselströme der Tachometerdynamomaschine 24 und des Potentiometers
3 resultiert. Der Zeiger des Instrumentes 18 schwingt daher im Rhythmus der Frequenz
bzw. der Umdrehungszahl des Motors i. Durch Verdrehen der Skala des Potentiometers
3 und des Schleifers von Spannungsteiler 9 läßt sich ein Zustand einstellen, daß
der Zeiger des Instrumentes 18 wieder zur Ruhe kommt.
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Die für eine bestimmte Drehzahl des Motors i und die damit bestimmte
Frequenz der von den Potentiometern 2 und 3 gelieferten Wechselspannung erforderliche
Verdrehung der Skala des Potentiometers 3 gibt direkt den Schleppwinkel der Phase
des Leonardsatzes in Winkelgraden an, während die Stellung des Spannungsteilers
9 direkt ein Maß für den Amplitudenschwund des Leonardsatzes ergibt.
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Die Tachometerdynaniomaschine 24 kann durch ein von einer getrennten
Spannung gespeistes Potentiometer ersetzt werden, wenn z. B. die Abtriebswelle des
Leonardsatzes 2o oder eines anderen zu prüfenden Gerätes nur ein: hin und her gehende
'Bewegung ausführt, wie es bei Stellwerken in Rückführungsschaltung der Fall ist.
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Die Potentiometer 2 und 3 sind konstruktiv gleich und in Fig. 2 im
einzelnen dargestellt.
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Die Welle 26 ist mittels zweier Kugellager 27 in dem Gehäuseflansch
28 drehbar gelagert. Auf ihr ist mit der Schraube 3o der Räderkäfig 3i, in dem die
Zahnräder 32 bis 35 gelagert sind, befestigt. Das Rad 33 und 35 kämmt mit einem
Zahnrad 36, das zentrisch fest mit dem Gehäuseflansch 28 verbunden ist. Wird die
Welle 26 über das Kegelrad 29 angetrieben, dann rollen die Zahnräder 33 und 35 auf
dem Zahnrad 36 ab, und "Zahnrad 35 treibt so das Zahnrad 34 an. Auf der Achse 37,
die durch die Schraube 38 fest mit dem Zahnrad 34 verbunden ist, ist durch die Buchse
39 isoliert der Schleifer 16 befestigt. Da der Teilkreis des Rades 36 doppelt so
groß gewählt ist als der der Räder 32 iiiid 35, bewegt sich das Ende des Schleifers
16, auf dem der Kontakt 4o angeordnet ist, stets auf der Linie A bis B, und zwar
in einer sinus.förmigen Bewegung, bezogen auf die Umdrehung der Welle 26. Der Kontakt
40 schleift auf einem in Richtung der Achse A bis B angeordneten Drahtwiderstand
14, so daß entsprechend der Schaltung Fig. I bei einer vollen Umdrehung der Welle
26 ein sinusförmiger Strom von einer ganzen Periode durch den Schleifer 16 abgenommen
wird. Zahnrad 32 und 33 sitzen lose auf der Achse 41 lind sind durch die Verdrehfeder
42 miteinander verbunden. Durch Vorspannen der Verdrehfeder 42 wird erreicht, daß
alle Räder immer mit denselben Seiten der Zahnflanken kämmen, so daß unabhängig
von der Drehrichtung der Welle 26 und unabhängig vom Zahnspiel der Räder eine genaue
Zuordnung der sinusförmigen Bewegung des Kontaktes 40 zu der Bewegung der Welle
26 erreicht ist.
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Die vom Schleifer 16 am Widerstand 14 abgegriffene Spannung wird über
den Schleifdraht 43 auf den an der aus Isoliermaterial bestehenden Grundplatte 44
befestigten Schleifring 45, der mit einer der Lötösen 15 auf dem Kontaktbrett
46 leitend verbunden ist, übertragen. Mittels der am Räderkäfig 3 i angebrachten
Gewichte 47 und 48 sind sämtliche drehende Teile statisch und dynamisch ausgewuchtet,
so daß mit dieser Einrichtung Wechselströme bis zu 3o Hz einwandfrei erzeugt werden
können.
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Die Grundplatte 44, auf der der Widerstand 14 befestigt ist, ist mit
dem Gehäuseflansch 28 verschraubt, der wiederum @in dem Gestell 13 drehbar
gelagert ist. Die räumliche Lage des Widerstandes 1,4 zum Gestell 13 wird durch
die auf der Grundplatte 44 eingravierte Skala und dem am Gestell 13
angebrachten
Zeiger 49 in Winkelgraden angezeigt.
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Der Widerstand 14 läßt sich durch die Schraube 5o in Richtung der
Achse A bis B verschieben, um eine genaue Widerstandssymmetrie gegenüber
dem Punkt B einjustieren zu können, insbesondere wenn ein Widerstand 14 mit Mittelanzapfung
verwendet ist. Eine Feder 51 drückt hierbei den Widerstand 14 immer gegen die Schraube
50.
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Fig.III zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von sinusförinigen Wechselströmen
langsamer Frequenz, von der zwei um 9o° elektrisch verschobene sinusförniige Wechselspannungen
geliefert werden, deren eine in der oben angegebenen Weise, deren andere aber zusätzlich
zur Stabilitätsuntersuchung von Regelkreisen getrennt verwendet werden kann. Der
konstruktive Aufbau ist der gleiche wie der des Gerätes nach Fig.II, nur sind zwei
weitere Zahnräder 52 und 53 mit einem zweiten Schleifer 54 vorgesehen. Der Schleifer
54 gleitet ebenfalls auf den Widerstand 14, er ist aber um 9o° räumlich gegenüber
dem Schleifer 16 versetzt. Die Spannung am Schleifer 54 wird auf den zweiten Schleifring
55 übertragen und kann von da aus als Dämpfungsimpuls irgendwelchen zu untersuchenden
Regelgeräten zusätzlich zugeführt werden.