DE889188C - Einrichtung zum Messen der Abweichung einer Frequenz von einem Sollwert, insbesondere fuer Regelzwecke - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Messen der Abweichung einer Frequenz von einem Sollwert, insbesondere für Regeizwecke Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Messen der Abweichungen einer Frequenz von einem Sollwert, insbesondere für Regelzwecke. Die Regelung der Frequenz ist bei \Vechiselstromkraftanlagen von großer Bedeutung, und an die Genauigkeit und Schnelligkeit der Regelung sind insbesondere dann sehr hohe Anforderungen zu stellen, wenn mehrere Generatoren parallel arbeiten, weil die Lastverteilung in diesem Falle von der Frequenzregelung in hohem Maße beeinflußt wird. Besonders schwierig werden die Verhältnisse, wenn mehrere parallel arbeitende Niaschinen frequenzgeregelt werden sollen.
• Wenn die Regelung von einem Frequenzmeßwerk abgeleitet werden soll. so hat man in der Regel von diesem einen Elektromotor gesteuert, der die Regelorgane entsprechend verstellt. Andererseits sind bereits Anordnnngen bekanntgeworden, bei denen, um die zum Anlaufen der Hilfsmotoren, erforderliche Zeit zu sparen und dadurch die Regelung zu beschleunigen, ein entsprechend kräftig gestaltet es Frequenzmeßwerk unmittelbar das betreffende Steuerorgan eines die Regelung bewirkenden Servomotors verstellt.
• Es sind Einrichtungen zum Messen der Abweichungen einer Frequenz von einem Sollwert bekannt, bei denen ein elektrodynamisches Meßwerk benutzt wird, dessen einer Stromkreis einen auf die Sollfrequenz abgestimmten Resonanzkreis enthält und in dessen anderem Stromkreis ein Strom fließt, der gegen den Resonanzstrom in der Phase um 90° verschoben ist. So sind Frequenzmesser bekannt, deren Feldwicklung mit einer Drosselspule und einem Kondensator in Reihe geschaltet ist, wobei der so entstehende Relsomanzkreis auf die Sollfrequenz abgestimmt ist. Andererseits liegt an der gleichen Speisespannung die bewegliche Meßwerkspule in Reihe mit phasenverschiebenden Mitteln, die so bemessen sind, daß der Strom in der beweglichen Spule der Speisespannung um 90° vor- oder nachteilt. Dabei ist noch eine zweite, als Richtspule dienende bewegliche Meßwerkspule vorgesehen, die über einen Scheinwiderstand geschlossen ist.
• Eine ähnliche Anordnung ist in Fig. 1 der Zeichnung schematisch dargestellt. Dort ist an die Spannung des Generators 1, dessen Frequenz überwacht werden soll, einerseits die Feldwicklung 2 und andererseits die bewegliche Spule 3 eines elektrodynamischen Meßwerks über einen Kondensator 4 und eine Drosselspule 5 enthaltenden Resonanzkreis angeschlossen, der auf den Sollwert der Frequenz abgestimmt ist. Die Richtkraft kann durch eine besondere bewegliche Richtspule, aber auch durch eine Richtfederanordnung erzeugt werden.
• Anordnungen dieser Art haben den Vorteil, daß die Messung bzw. Regelung der Frequenz infolge der Verwendung eines Resonanzkreises von der Kurvenform unabhängig ist. Außerdem zeichnen diese bekannten Anordnungen sich durch eine besonders hohe Meßempfindlichkeit aus. Dies beruht darauf, daß beim Durchgang der Frequenz durch die Resonanzlage ein sogenannter Phasensprung entsteht. Wenn die Frequenz den Sollwert erreicht, so ist die Spannung Uc an dem Kondensator 4 gleich grolß, aber in der Phase entgegenge.setzt der Spannung UD an der D-rosselspule 5, und der Strom J in der beweglichen Spule 3 liegt in Phase mit der an den Ohmschen Widerständen des Resonanzkreises herrschenden Teilspannung UR und damit auch in Phase mit der Speisespannung U.
• Wenn nun die Frequenz f um einen kleinen Betrag d f z. B. zunimmt, so wird die Spannung Uc kleiner und die spannung UD zugleich größer, weil der kapazitive Widerstand sich verkleinert und der induktive Widerstand sich vergrößert. Dabei ändert sich zunächst die Spannung UR und damit auch der Strom nur sehr wenig. Dagegen dreht sich der Stromvektor in erheblichem Maße nach der einen oder anderen Richtung je nach der Richtung der Frequenzabweichung #f.
• Man kann nun den Stromvektor J' in zwei Komponenten zerlegen, deren eine in Richtung der Speisespannung U liegt und mit J bezeichnet werden möge, Ida sie dem Strom bei der Sollfrequenz f entspricht. Die Komponente J liegt also in Phase mit der Speisespannung Um die andere Komponente ist der Frequenzänderung Af proportional und soll mit #J bezeichnet werden. Das betreffende Vektordiagramm ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist noch das - Feld # der Wicklung 2 eingezeichnet, das in der Phase der Speisespannung U nahezu um go" nacheilt.
• Fig. 3 zeigt nun die Augenblickswerte der Größen J, #J und #, wobei die Stromkurven durch ausgezogene Linien angedeutet sind. Außerdem sind die mit # . J und # . #J bezeichneten Kurven durch eine strichpunktierte bzw. eine gestrichelte Linie eingezeichnet. Dabei entspricht die Kurve # . #J den durch die zu messende Freqeunzänderting #f hervorgerufenen Nutzkräften, während die Größe # 1 von der Frequenzänderung nicht beeinflußt wird.
• Wie man aus der Darstellung in Fig. 3 erkennt, treten also unabhängig. von der zu messenden Frequenz änderung df Kräfte sehr erheblicher Größe auf, die zwar im Gegensatz zu den Nutzkräften #.#J keine Dauerablenkung der beweglichen Meßwerkspule 1 hervorrufen können, da der Mittelwert dieser Kräfte gleich Null ist, aber das Meßwerk mechanisch mit der doppelten Sollfrequenz durch entsprechende Schüttelkräfte belasten. Dabei ist zu beachten, sodaß es sich ja um die Messung sehr kleiner Frequenzänderungen, z. B. von 49 bis 50 Hz, handelt, wobei also der Höchstwert der Frequenzabweichung #f nur 2% der Sollfrequenz ist. Daraus ergibt sich, daß die nutzlosen Schüttelkräfte stets um eine Größenordnung größer sind als die Nutzkräfte.
• Man hat deshalb bisher in solchen Fällen, wo zwecks Regelung der Frequenz das Meßwerk unmittelbar das betreffende Steuerorgan eines die Regelung bewirkenden Servomotors verstelllen soll und dazu verhältnismäßig große Nutzkräfte erforderlich sind, auf die Empfindlichkeitssteigerung durch Benutzung eines Resonanzkreises verzichtet.
• Infolgedessen war aber ein verhältnismäßig großer Aufwand erforderlich, um die geforderte Empfinadlichkeit zu erreichen.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun eine Einrichtung zum Messen der Abweichungen einer Frequenz von einem Sollwert, insbesondere für Regelzwecke, mit einem elektrodynamischen Meßwerk, dessen einer Stromkreis einen auf die Sollfrequenz abgestimmten Resonanzkreis enthält und in dessen anderem Stromkreis ein Strom fließt, der gegen den Resonanzstrom in der Phase um 900 verschoben ist. Dabei werden die das Meßwerk unnötigerweise belastenden Schüttelkräfte, die von der in dem Resonanzkreis fließenden, in Phase mit der Speisespannung liegenden Stromkomponente J herrühren, gemäß der Erfindung durch von einem Strom entgegengesetzter Phasenlage erzeugte elektrodynamische Kräfte kompensiert.
• Zu diesem Zweck könnte man ein besonderes Kompensationsmeßwerk benutzen, daß mit dre beweglichen Spule des Frequenzmeßwerks mechanisch gekuppelt ist. Das Kompensationsmeßwerk kann dann so bemessen und angeordnet werden, daß die elektrodynamischen Kräfte sich gegenseitig aufheben. Zweckmäßig ist aber im allgemeinen eine Anordnung, bei der der Kompensationsstrom in in einer parallel zu der in dem Resonanzkreis 1 legenden Meßwerkwicklung angeordneten und mit dieser mechanisch verbundenen Gegenwicklung fließt. Der Kompensationsstrom kann aber auch in einer an sich bekannten Überlagerungsschaltung der in dem Resonanzstromkreis liegenden Meßwerkwicklung unmittelbar zugeführt werden.
• In den Fig. 1, 4, 5 und 6 der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in Schaltbildern dargestellt.
• Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist zur Kompensation der Schüttelkräfte ein Doppelspulmeßwerk vorgesehen, wobei die mit der Meßspule 3 mechanisch verbundene Kompensationsspule 6 über einen abgleichbaren Ohmschen Widerstand 7 an die Speisespannung U angeschlossen ist. Wenn die Kompensationsspule in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen wird wie die Meßspule, so werden die von dem Strom 1 herrührenden elektrodvnamischen Kräfte durch die von dem KompNensationsstrom herrührenden aufgehoben wenn die Amperewindungen beider Spulen gleich groß sind.
• Fig. 4 zeigt im Gegensatz zu der Amperewindungskompensation nach Fig. 1 eine unmittelbare Stromkompensation in der beweglichen Meßwerkspule 3. Zu diesem Zweck liegt parallel zu der Meßwerkspule die Sekundärwicklung 8 eines Übertragers 9, dessen Primärwicklung 10 über einen abgleichbaren Widerstand 11 an der Speisespannung liegt. In der Sekundärwicklung 8 wird dann ein Strom erzeugt, dessen Richtung und Stärke so gewählt werden kann, daß er den Strom 1 in der Spule 3 kompensiert. Diese Anordnung bat gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 den Vorteil einer besseren Raumausnutzung für die bewefgliche Meßwerkwicklung. Andererseits kommt die der Frequenzänderung #f entsprechende Stromkomponente #J, die gewissermaßen in dem Resonanzkreis 4, 5 erzeugt wird, in der Meßwerkspule 3 zur Wirkung, wobei allerdings die Primärwicklung 10 des Übertragers g einschließlich des Regelwiderstandes 11 als Vorwiderstand wirqit.
• Dieser Nachteil wird vermieden durch eine Ausbildung nach Art einer Brückenschaltung, wie sie z. B. in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei sind, um die Ableitung aus der Schaltung nach Fig. 4 zu zeigen, die gleichen Teile mit entsprechenden Ziffern bezeichnet. Man erkennt dann, daß der Unterschied im wesentlichen darin besteht, daß die Meßwerkspule 3 nicht mehr beiderseitig parallel zu der Sekundärwicklung 8' des Übertragers 9' liegt, sondern parallel zu der Reihenschaltung der Wicklungen 8' und i'o' des Übertragers. Die Bedeutung der in Reihe mit der beweglichen Meßwerkspule 3 liegenden Wicllttng 12 soll später erläutert werden.
• Eine ebenfalls brauchbare Schaltung würde sich durch eine Vertauschung der beiden Brückendiagonalen ergeben.
• Die in Fig. 6 gezeichnete Schaltung unterscheidet sich von der in Fig. 5 {dargestellten nur dadurch, daß der Widerstand 11' durch einen Stromresonanzkreis, bestehend aus einem Kondensator I3 und einer dazu parallel geschalteten Drosselspule 14, ersetzt ist. Dadurch entsteht eine Anordnung ähnlich der bekannten Robinsonfrequenzbrücke, die den Vorteil hat, daß die Wirkung einer Frequenzänderung durch das Hinzufügen des zweiten Resonanzkreises gewissermaßen verdoppelt wird.
• Wie aus Fig. 2 und den diesbezüglichen Darlegungen hervorgeht, kann eine vollständige Aufhebung der störenden Schüttelkräfte nur dann erfolgen, wenn das Feld # um 900 gegen die Speisespannung U verschoben ist. Beträgt dielse Verschiebung weniger als 900, so treten zwar im allgemeinen auch nur kleine, die Nutzwirkung kaum behindernde Schüttelkräfte auf. Wenn aber gleichzeitig, beispielsweise durch Änderung Ider Raumtemperatur, der Widerstand der kompensierenden Wicklungen sich ändert und infolgedessen die Kompensation des Stromes J nicht mehr genau stimmt, so ergeben sich Kräfte, die im gleichen bzw. im entgegengesetzten Sinn wie die Nutzkräfte wirken und bei der hohen Empfindlichkeit der Anordnung sehr störend sind. Das gleiche tritt ein, wenn die Kompensation bei größeren Frequenzänderungen in folge der Phasenverschiebung zwisehen J und J' nicht mehr stimmt. Es kann daher geboten sein, die Feldwicklung 2 an die Speisespannung U über eine an sich bekannte Schaltung anzuschließen, die eine Phasenverschiebung von genau 90° zwischen dem Feld und der Speisespannung erzeugt. Zu diesem Zweck kann man z. B. der Feldwicklung 2 eine Drosselspule vor- und einen Ohmschen Widerstand parallel schalten, wobei die Widerstände so gewählt werden können, daß das Feld um genau 90° in der Phase gegen die Speisespannung U verschoben ist.
• Wird die Stromverteilung in einer solchen Schaltung dadurch gestört, daß die Widerstände der einzelnen Zweige verschiedene Temperaturen annehmen und daher ihren Betrag verändern, so kann dieser Fehler dadurch beseitigt werden, daß in an sich bekannter Weise Heißleiter (Widerstände mit negativen Temperaturbeiwerten) in einen oder mehrere Zweige der Schaltung eingegefügt werden. Die Konstanten dieser Widerstände können dann so gewählt werden, daß dile Stromverteilung bei allem in Betracht kommenden Temperaturverhältnissen stets die gleiche bleibt und sich dementsprechend auch die Phasenverschiebung nicht ändert.
• Das elektrodynamische Meßwerk kann z. B. als eisengeschlossenes Drehspulmeßwerk ausgebildet werden. Wenn es aber zu Regelzwecken benutzt und unmittelbar mit dem in der Regel verschiebbar gelagerten Steuerglied eines Servomotors der üblichen Bauart gekuppelt werden soll, so ist es zweckmäßig, den Eisenkörper des elektrodynamischen Meßwerks so auszubilden, daß die elektrodynamischen Kräfte auf beide Seiten der beweglichen Meßwerkspule in gleicher Richtung wirken.
• Die Meßwerkspule kann dann derart mit dem gerade geführten Steuerglied des Servomotors verbunden werden, daß die beiden Seiten der rahmenförmigen, einen Eisenkern umschließenden Spule sich unter dem Einfluß der elektrodynamischen Kräfte in je einem Luftspalt des Eisenkörpers geradlinig verschieben. Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung des Eisenkörpers als Doppelmantelkern in der Weise, daß die je eine Seite der rahmenförmigen, verschiebbar gelagerten Meß werkspule durchsetzenden Kraftlinien doppelseitig eisengeschlossen sind.
• Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Dabei besteht der in der üblichen Weise aus Blechen geschichtete Eisenkörper 15 gewissermaßen aus zwei symmetrisch zur Mittelachse A angeordneten Mantelkernen; die durch je eine Feldwicklung 2 bzw. 2' magnetisiert werden. Die Stromrichtung in den beiden Feld wicklungen ist einander entgegengesetzt, so daß auch die Kraftlinien in entgegengesetzter Richtung verlaufen, und sich z. B., wie in Fig. 7 durch die Pfeile angedeutet, in jeder Hälfte des - Doppelmantelkerns beiderseitig schließen. Infolgedessen greifen an den beiden Seiten der Spule 3 Kräfte gleicher Richtung an, die eine geradlinige Verschiebung der Spule in Richtung der Mittelachse A bewirken.
• Eine solche Anordnung wirkt gewissermaßen als Transformator, wobei in der die Sekundärwicklung bildenden rahmenförmigen Meßwerkspule 3 in unerwünschter Weise Ströme induziert werden, Idie nur von der Erregung des Feldes abhängen, nicht aber von der zu messenden Frequenzänderung. Die in Fig. 7 dargestellte Ausbildung der beiden Hälften des Eisenkörpers I5 in der Weise, daß die je eine Seite der Meßwerkspule 3 durchsetz,enden Kraftlinien doppelseitig eisengeschlossen sind, hat nun den Vorteil, daß die in den Windungen je einer Hälfte der Meßwerkspule durch die Induktion entstehenden Spannungen entgegengesetzt gerichtet sind und die entsprechenden Ströme sich daher gegenseitig aufheben.
• Andererseits wirkt die Meßwerkspule 3 giewissermaßen als eisengeschlossene Drosselspule, wodurch der Widerstand der Spule in unerwünschter Weise vergrößert wird. Dieser Nachteil kann dadurch beseitigt werden, daß auf dem Eisenkörper 15 Gegenwicklungen 12 zum Aufheben des induktiven Widerstandes der beweglichen Meßwerkspule 3 angeordnet sind. Diese werden, wie es z. B. in Fig. 5 und 6 angedeutet ist, zweckmäßig unmittelbar mit der beweglichen Meßwerkspule 3 in Reihe geschaltet und dann so bemessen, daß sie die gleiche Amperewindungszahl wie diese haben. Die Gegenwicklungen 12 sind bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform des Eisenkörpers 15 auf die den beiden Mantelkernen gemeinsamen Schenkel verteilt angeordnet. Der induktive Widerstand der Meßwerkspule 3 kann aber auch dadurch verringert werden, daß in dem von der rahmenförmigen beweglichen Meßwerkspule 3 umschlossenen Teil des Eisenkörpers I5 ein Luftspalt 16 vorgesehen ist.
• Um für Regelzwecke bereits bei einer sehr kleinen Frequenzänderung die zum Bewegen des Steuergliedes erforderliche verhältnismäßig große Kraft zu erreichen, wird man die Meßwerkspule möglichst hoch mit Strom belasten. Wenn nun in Störungsfällen die Frequenz sich stark ändert, so würde eine unzulässige Überlastung der Meßwerkspule entstehen. Um -dies zu verhindern, können an sich bekannte Mittel zum Begrenzen des Stromes in der Meßwerkspule vorgesehen werden. Ein besonders einfaches Mittel dieser Art besteht, vorausgesetzt, daß man einen Übertrager entsprechend Fig. 5 oder 6 vorsieht, darin, dessen Eisenkern g' so zu bemessen, daß er beim Überschreiten Ender bei dem Sollwert der Frequenz fließenden Stromstärke gesättigt ist.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zum Messen der Abweichung einer Frequenz von einem Sollwert, insbesondere für Regelzwecke, mit einem elektro--dynamischen Meßwerk, dessen einer Stromkreis einen auf die Sollfrequenz abgestimmten Resonanzkrei,s enthält und in dessen anderem Stromkreis ein Strom fließt, der gegen den Resonanzkreis in der Phase um 90l° verschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die von Ider in dem Resonanzkreis (4, 5) fließenden, in Phase mit der Speisespannung (U) liegenden Stromkomponente (J) herrührenden, auf die bewegliche Meßwerkspule (3) wirkenden elektrodynamischen Kräfte durch von einem Strom entgegengesetzter Phasenlage erzeugte elektrodynadnische Kräfte kompensiert werden.

   2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom in einer parallel zu der in dem Resonanzkreis liegenden Meßwerkwicklung (3) angeordneten und mit dieser mechanisch verbundenen Ge!genwicklung (6) fließt.

   3. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsstrom in einer an sich bekannten Überlagerungsschaltung der im Resonanzkreis liegenden Meßwerkwicklung (3) unmittelbar zugeführt wird.

   4. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein elektrodynamisches Doppclspulmeßwerk, dessen eine Meßwerkspule (3) in dem Resonarizlcreis (, 5) liegt und dessen andere Meßwerkspule (6), vorzugsweise über einen abgleichbaren Ohmschen Vorwiderstand (7), an die gleiche .Speisespannung (U) angeschlossen ist.

   5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, ,daß parallel zu der in dem Resonanzstromkreis (4, 5) liegenden Meßwerkspule (3) des elektrodynamischen Meßwerks die Sekundärwicklung (8) eines Übertragers (9) liegt, dessen Primärwicklung (10), vorzugsweise über einen abgleichbaren Ohmschen Vorwiderstand (11), an die gleiche Speisespannung (U) angeschlossen ist.

   6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Meßwerkspule (3) des elektrodynamischen MIeßwerks in der Diagonale einer an die Speisespannung (U) angeschlossenen Brückenschaltung liegt, die in den beiden Stromzweigen einerseits je eine Wicklung (8', ID') eines Übertragers (9') und andererseits den Resonanzkreis (4, 5) bzw. einen Widerstand (11') enthält.

   7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (g') des Übertragers beim Überschreiten der bei dem Sollwert der Frequenz fließenden Stromstärke gesättigt ist, um eine Überlastung der beweglichen Meßwerkspule (3) zu vermeiden.

   8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (III') durch einen Stromresonanzkreis (13, 14) ersetzt ist.

   9. Einrichtung zum Regeln einer Frequenz auf einen Sollwert nach einem der Ansprüche I bis 8 mit einem eisengeschlossenen elektrodynamischen Meßwerk, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung des Eisenkörpers (I5), daß die elektrodynamischen Kräfte auf beide Seiten der beweglichen Meßwerkspule (3) in gleicher Richtung wirken.

   10. Einrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Ausbildung des Eisenkörpers (15) als Doppelmantelkern in der Weise, daß die je eine Seite der rahmenförmigen verschiebbar gelagerten Meßwerkspule (3) durch setzenden Kraftlinien doppelseitig eisengeschlossen sind.

   II. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Eisenkörper (15) Gegenwicklungen (I2) zum Aufheben des indulktiven Widerstandes der beweglichen EMeßwerkspule (3) angeordnet sind. tr2. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenwicklungen (I12) mit der beweglichen Meßwerkspule (3) in Reihe geschaltet sind und die gleiche Windungszahl haben.

   13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenwicklungen (12) auf die den beiden Mantelkernen gemeinsame Schenkel verteilt sind.

   14. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von der rahmenförmigen beweglichen Meßwerkspule (3) umschlossenen Teil des Eisenkörpers (15) ein Luftspalt (116) vorgesehen ist zum Verringern des induktiven Widerstandes der beweglichen Meßwerkspule.

   I/5. Einrichtung nach einem der Anspruche I bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Feld wicklung (2) des elektrodynamischen Meßwerks an die Speisespannung (U) über eine an sich bekannte Schaltung angeschlossen ist, die eine Phasenverschiebung von 90° zwischen dem Feld und der Speisespannung erzeugt.

   16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einen oder mehrere Zweige der Schaltung in an sich bekannter Weise Heißleiter derart eingefügt sind, daß die Stromverteilung bei allen in Betracht kommenden Temperaturverhältnissen die gleiche bleibt.