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Drehzahlregelung für Verbrennungsmotoren-Prüfstände
Die Untersuchung
von Verbrennungsmotoren auf dem Prüfstand wird, was die schnelle Einstellung bestimmter
Motorzustände betrifft, wesentlich erleichtert, wenn trotz Veränderung anderer Größen,
wie Drehmoment usw., wenigstens die Drehzahl konstant gehalten werden kann. Zu diesem
Zweck wird bisher für alle Prüfstandanlagen, die höheren Ansprüchen genügen sollen,
die Leonardschaltung angewendet. Die Vorteile des lseonardantriebes, der bis jetzt
bei Prüfstandpendelgeneratoren benutzt wird, sind mit dem Nachteil einer umständlichen
Schaltanlage von großem Raumbedarf und großen Kosten verknüpft.
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In der Erfindung wird nun die Verwendung von gittergesteuerten Quecksilberdampfgleichrichtern
vorgeschlagen, die den Vorteil bietet, z. B. eine Dreh stromleitung des Elektrizitätswerkes
unmittel -bar bis zum Einzylinderprüfstand heranzuführen und durch Steuerung der
Gleichrichter (eine Gleichrichtung wird ja auf alle Fälle notwendig sein) die Drehzahl
regelung zu bewirken.
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Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. I dargestellt. Der Pendelgenerator
a für den Verbrennungsmotor, dessen Feld b und Anker getrennt gespeist werden, arbeitet
über Quecksilberdampfgleichrichter unmittelbar auf dn,s Netz RST. Was den Erregerstrom
des Feldes b betrifft, so wird dieser zunächst in Dreiphasenschattung (günstiger
Sechsphasenschaltung mit Transformator) durch das Gleichrichtergefäß G1 gleichgerichtet,
wobei die Drossel D1 für die notwendige Glättung der Oberwellen sorgt, soweit nicht
die Feld-
wicklung b schon eine ausreichende selbstinduktive Wirkung
aufweist und als Drossel benutzt werden kann. Die Größe des Erregerstromes und damit
eine bestimmte Grunddrehzahl der Pendelmaschine wird nun praktisch verlustlos durch
Steuerung der Gitter d, d erreicht, wobei ein beliebig einstellbares Rullepotential
durch eine kleine Gleichstromquelle e an die Gitter d, d gelegt wird. Selbstverständlich
ist die Gittersteuerung ebenso durch Wechs.elspannungen bzw. durch Stoßsteuerung
möglich, wobei ein (nicht gezeichneter) Drehtransformator od. dgl. zur Phasenverschiebung
benutzt und in bekannter Weise durch zeitliche Verschiebung der Phase der Gleichrichter
mehr oder weniger gesperrt wird.
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Die eigentliche selbsttätige Drehzahlregelung für den Pendelgenerator
wird: durch ein zweites Gle!ichrichtergefäß G2 vorgenommen, welches die Steuerung
des Ankerstromes übernimmt. Auch hier ist eine Drossel D@ in bekannter Weise eingefügt.
Zur Erfassung der Drehzahl! des Aggregates sitzt auf derselben Welle der Tachodynamo
f mit Ankers, und Fel.d lt, dessen Ankerspannung mittelbar an die Gitter i, i des
Gleichrichters gelegt wird. Zwischen den Dynamo f und die Gitter i sind die Sekundärwicklungen
t, t eines kleinen :Drehstromtransformators Tr geschaltet. Außerdem sind noch die
Umschalter U1 und U2 vorgesehen, welche beide eine Umpolung der beiden Ankerströme
c und g bewirken. Die Arbeitsweise ist nun folgende: Zum Anlassen des Motors wird
zunächst über den Gleichrichter G1 das Feld b eingeschaltet, dann durch den Gleichrichter
G2 der Ankerstrom, wobei die beiden Umschalter U1 und U2 in der Anlaßstellung liegen
müssen. Die selbsttätige Regelung der Drehzahl erfolgt nun schon durch die Spannung
des. Tachodynamos f, welcher zusätzlich zu den in den Spulen t. t induzierten Wechselspannungen
die Gitter i, i steuert; auch hierfür wird vorteilhaft eine Stoßsteuerung verwendet,
wie sie in Abb. 3 dargestellt und besprochen ist In den Abb. I und 2 iist der Übersichtlichkeit
halber die Gleichspannungssteuerung gezeichnet. Bei Höherwerden der Drehzahl wird
die Gitterspannung negativer, damit der Ankerstrom geringer, so daß die Schwankung
wieder ausgeglichen wird. Die Solldrehzahl wird dabei allein durch den Gleichrichter
G1 bzw. den Spannungsabgriff e eingestellt, wobei es von Vorteil ist, daß die Regelkennlinie
der ganzen Anlage für sämtliche Solldrehzahlen dieselbe bleibt. Zu diesem Zweck
durchfließt der Feldstrom für b oder ein bestimmter Teil desselben auch die Feldspule
des Tachodynamos k. Sobald der Verbrennungsmotor selbst Leistung abgibt, ändert
sich die Richtung des Drehmoments und schlägt der Pendeldynamo nach der anderen
Seite an; mit dieser Bewegung werden die Um.schallter U1 und U2 gesteuert, wobei
U2 im Augenblick des Umschaltens praktisch stromlos. ist Nach der Umschaltung hat
sich der Strom im Anker c umgekehrt, so daß der Gleichrichter G2 nunmehr als Wechselrichter
arbeitet, wobei die in den Spulen t, t induzierten Wechselspannungen den Ankerstrom
entsprechend der jeweiligen Phasenlage auf die drei Pole RST verteilen. Für den
Wechselrichterbetrieb notwendige Spannungs- und Phasenänderungen, die an sich bekannt
sind, können ebenfalls durch den Umschaltvorgang betätigt werden. Entsprechend dem
umgekehrten Regel charakter mußte gleichzeitig durch den Umschalter U1 die Spannung
des Tachodynamos f umgepolt werden; zur Änderung des absoluten Potentials kann.
je nach Bedarf noch eine Batterie dazwischengeschaltet werden. Selbstverständlich
kann durch die Umschaltung genau so gut eine Widerstand sbatte!rie eingeschaltet
werden, wenn aus Tarif- oder ähnlichen Gründen eine Rückspeisung in das Netz nicht
gewünscht wird. In diesem Fall wird durch einen weiteren Umschalter im Augenblick
der Umkehrung des Drehmoments der Gleichrichter vom Netz ab- und an die Widerstandsbatterie
angeschaltet; im übrigen bleibt die Wirkungsweise dieselbe.
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Für solche Fälle, in denen doch mit einer Widerstandsbatterie gearbeitet
wird, kann der eine Gleichrichter weggelassen und nur das Feld b mit dem Gleichrichter
G1 gesteuert werden. Eine solche Anlage ist in Abb. 2 dargestellt. Die Feldsteuerung
bleibt ähnlich der Anlage in Abb. 1, nur mit der Ausnahme, daß diesmal die Drehzahlregelung
durch Verändern des Feldstromes erreicht wird. Der Anker c arbeitet unmittelbar
auf eine Widerstandsbatterie R, welche auf verschiedene Widerstandswerte umschaltbar
ist. Zum Anlassen des' Motors wird der Anker c durch einen Umschalter U4 in Reihe
mit dem Feld an die Gleichrichterspannung angeschaltet. die Rückschaltung kann ebenso
wie bei der ersten Anlage durch das Umschlagen des Pendelgenerators im Drehmoment
bewirkt werden.
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Sobald der Verbrennunlgsmoto,r Leistung abgibt, wird U4 kurzgeschlossen
und damit die Ankerspannung unmittelbar auf die Widerstände R geschaltet.
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Die Drehzahlregelung während des Anlassens wird durch Veränderung
des Widerstandes R bewirkt.
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Soba.ldi der Verbrennungsmotor richtig arbeitet, wird die Drehzahl
durch einen Tachodynamo f' erfaßt, der in diesem Fall selbstspeisend wirkt oder
mit permanentem Magnetfeld arbeitet. Im übrigen liegen wie in Abb. I die Gitter
des Gleichrichters an der Spannung des Tachodynamos. Der Feldwidlersltanad r wird
vorteilhaft ebenfalls veränderlich ausgeführt, und zwar kann er, wie in der Ab bildung
angedeutet, mit dem Belastungswiderstand R gekuppelt werden. Durch geschickte Wahl
der Widerstandscharakteristiken von R und r ist es nun möglich, jede gewünschte
Drehzahl durch Drehen einer Handkurbel od. dgl. einzustellen. welche gleichzeitig
R und r verändert. Für Spezialfälle, in denen die Regelkennlinie verstellbar bleiben
solll, werden die Widerstände R und r besser unabhängig voneinander, also ohne Kupplung
eingestellt; allerdings, bleibt dann. der bedienende Ingenieur der Anlage dafür
verantwortlich, daß in einem günstigen Regefberei ch gearbeitet wird.
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Die ganze Regelung wird erheblich einfacher, wenn die Leistungsmessung
in bekannter Weise durch Kombination einer Wasserbremse mit einem Pendelgenerator
erfolgt: die Hauptlast, 70 bis 80% der
Gesamtlast, wird durch die
Wasserbremse auf genommen, welche auch bei willkürlichen Drehmoment änderungen nachgestellt
wird, so daß der Pendelgenerator selbst keine großen Lastschwankunden mehr erfährt
und: die Drehzahlregelung nur noch in dem kleinen Bereich der unwillkürlichen Belastungsschwankungen
zu erfüllen hat. Die Anforderungen, die an die Regelkennlinie zu stellen sind, werden
dadurch erheblich einfacher.
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Der Mechanismus der drehzahlabhängigen Gittersteuerung, für den bisher
nur die Gleichspannungssteuerung der Übersichtlichkeit wegen gezeichnet wurde, ist
in Abb. 3 näher erläutert. Auch hier ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Phase
des Hilfstransformators, nämlich R, ausgeführt, da sich für die anderen Phasen S
und T genau dasselbe Bild ergibt. Die Sekundärwicklung des Zusatztransformator's
Tr.2 ist in der Mitte! angezapft, so daß sich zwei Stromkreise bilden in; deren
einem ein möglichst rein Ohmscher Widerstand R4, in deren anderem eine möglichst
reine Induktivität oder Kapazität C liegt, während zwischen den beiden Mittenanzapfungen
die Spannung Ug abgenommen wird, welche an die Gitter i, i usw. geführt wird. Wie
aus dem Vektordiagramm der Abb. 4 hervorgeht, läßt sich auf diese Weise, d. h. wenn
die Teilspannungen Uk und UR4 genau senkrecht aufeinander stehen, eine Spannung
Ug erhalten, welche bei konstanter Amplitude um beinahe 1800 gedreht werden kann,
wenn sich Uk entsprechend ändert. Diese Ph asenäuderung muß nun in Abhängigkeit
von der durch den Tachodynamo f' bzw. f erzeugten Gleichspannung erfolgen. Zu diesem
Zweck kann man als veränderliche Induktivität gegenüber R4 eine Drosselspule verwenden.
welche mit dem Strom des Tachodynamos f' vormagnetisiert wird und so ihre Induktivität
ändert.
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Hierbei wird jedoch der Tachodynamo leistungsmäßig belastet, so da.ß
seine Spannung nicht mehr proportional der Drehzahl ist. Erfindungsgemäß wird deshalb
als veränderliche Kapazität besser eine als Scheinwiderstand geschaltete Verstärkerröhre
k, Triode oder Pentode, verwendet, welche verlustlos entsprechend der Drehzahl ihren
Scheinwiderstand ändert. In Abb. 4 ist sie als Kapazität geschaltet, durch Vertauschen
von R3 und C kann sitze ebensogut als Induktivität arbeiten. Eine kleine Batterie
I dient, dazu, das Ruhepotential des Gitters von k möglichst günstig einzustellen.