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Einrichtung zur Schnellregelung und zur schnellen Drehrichtungsumkehr
von Gleichstromkonstantstrommotoren Motoren, die nach dem Prinzip der Konstantstromspeisung
arbeiten, entbehren einer Stromumkehr im Ankerkreis. Das Reversieren wird daher
durch Umkehren des Feldes bewirkt. Die durch Selbstinduktion verursachte Verzögerung
im Anstieg des Erregerstromes kann durch Stoßerregung in ihrer Wirkung gemindert
werden. Nachdem die Umsteuerung von Motoren, die nach dem Kons.tantstromsystem betrieben
werden, durch Umschalten des Feldes erfolgt, ist es naheliegend, diese Umsteuerung,
wenn sie fast trägheitslos erfolgen soll, durch einen Umkehrstromrichter zu erzielen.
Durch die Höhe der dabei auftretenden Stoßerregung, die etwa das drei- bis fünffache
der normalen Erregung beträgt, wird jedoch die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen
bei industriellen Antrieben unterhalb r oo kW sehr beeinträchtigt.
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Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil und ermöglicht eine Schnellregelung
und eine schnelle Drehrichtungsumkehr von Gleichstromkonstantstrommotoren, deren
Feldwicklung von einer Ankerfeldmaschine in Verstärkerschaltung gespeist wird, dadurch,
daß zur Beeinflussung der Drehzahl und gegebenenfalls der Drehrichtung zwei durch
Regelimpulse steuerbare gleichstromgespeiste Stoßkreise für die Erregerspannung
an der Steuerwicklung der Amplidyne vorgesehen sind.
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Durch die Verwendung einer Ankerfeldverstärkermaschine, einer sogenannten
Amplidyne, als Erregermaschine erhält man bereits eine besonders
günstige
Anordnung. Eine Amplidyne ist bekanntlich eine Ankerfeldma:schine, welche zwei Bürstensätze,
einen Kurzschlußbürstensatz und einen Nutzbürstensatz besitzt und mindestens mit
einer Steuerwicklung und einer Kompensationswicklung in der Nutzbürstenachse versehen
ist (ETZ, 62. Jahrgang [19q.1] Heft 38, S. 796). Neuzeitliche Amplidynen haben ein
Verstärkungsverhältnis zwischen Erregerleistung und Ausgangsleistung von i : iooo
und darüber und bei Verwendung als Erregermaschine zusammen mit dem stoßerregten
Motor eine Zeitkonstante in der Größenordnung vön 1/1o Sekunde. Durch die Erfindung
ist es daher nicht nur möglich, für Antriebe höherer Leistung, sondern auch für
solche kleinerer Leistung die Erregung wirtschaftlich durch kleinste Energien zu
steuern.
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Die gemäß der Erfindung vorgesehenen zwei getrennten Stoßkreise wirken
auf die Erregerwicklung der Amplidyne. Jeder Stoßkreis wird durch eine Stoßröhre
gezündet. Hierdurch erzielt man einen praktisch trägheitslo:sen Spannungsanstieg
an der Erregerwicklung des. Motors. Der Aufbau des Motorfeldes tritt allerdings
infolge der Selbstinduktion etwas verzögert auf. Immerhin gelingt es aber, mit der
erfindungsgemäßen Einrichtung eine Zeitkonstante in der Größenordnung um 1/1o Sekunde
zu erhalten. Durch die Stoßerregung würde der Erregerstrom den gewünschten Wert
überschreiten. Zur Begrenzung des Erregerstromes auf einen zugelassenen Höchstwert
wird daher gemäß der Erfindung nach dem Einsetzen der Stoßerregung ein zweiter Stromkreis
über Nebenschlußwiderstände gebildet, der einen Teil des durch die Stoßspannung
gegebenen Erregerstromes im Nebenschluß zur Erregerwicklung der Amplidyne ableitet.
Diese scheinbare verlustreiche Regelung ist jedoch bei Anwendung einer Amplidyne
als Erregermaschine für den zu regelnden Motor ohne weiteres tragbar, weil bekanntlich
die Erregerleistung einer Ankerfeldverstärkermaschine nur einige Watt beträgt.
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Zur Steuerung der Stromkreise dienen Gitter an den Stoßröhren, die
von einer 'Steuerbrücke erregt werden. Diese Steuerbrücke hat den Zweck, die einzelnen
Steuerimpulse geordnet an die richtige Stelle zu geben. Jede Stoßröhre erhält weiter
erfindungsgemäß :ein zweites Gitter, dessen Potential kreuzweise vom Strom des ,anderen
'Stoßkreises abhängt. Dadurch wird eine Verriegelung gegen Kurzschluß zwischen den
beiden Stromerzeugern der 'Stoßkreise geschaffen. Jeder Stoßkreis erhält eine Löschvorrichtung,
die dazu dient, den brennenden Lichtbogen in den Stoßröhren durch plötzliches Aufdrücken
einer Gegenspannung zu löschen.
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Die Fig. i der Zeichnung läßt den Strom- und Spannungsverlauf in Abhängigkeit
von der Zeit t an der Feldwicklung eines gemäß der Erfindung erregten Konstantstrommotors
,erkennen. T6 ist die Zeitkonstante, die aus der Selbstinduktion und dem Wirkwiderstand
der Feldwicklung der Amplidyne sich ergibt. Sie ist die Zeätkonstante für den exponentiellen
Aufbau der Erregerspannung e an der Feldwicklung des Motors und somit die Zeitkonstante
der Stoßerregung und ist bei Verwendung einer Amplidyne außerordentlich klein. Den
Verlauf des durch die Erregerspannung e in der Feldwicklung des Motors bewirkten
Erregerstromes zeigen die Kennlinien i2. Der Erregerstrom i, würde infolge der Stoßerregung
den gewünschten Wert i'2 überschreiten. Durch das Einschalten des bereits erwähnten
Nebenschlusses zur Erregerwicklung der Amplidyne wird aber der Erregerstrom des
Motors auf den gewünschten Wert i'2 begrenzt.
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Zur näheren Erläuterung dieser Verhältnisse sei nachfolgend die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Einrichtung an Hand des in der Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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Der Motor i wird mit konstantem Strom gespeist, dessen Richtung festliegt.
Die Umkehr der Drehrichtung wird bewirkt durch Umkehren der Erregung des Motorfeldes
2, das seine Energie von der Amplidyne 3 erhält. Die Amplidyne 3 besitzt bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kompensationswicklung ¢ und eine mit dieser
in Reihe geschaltete, in der Kurzschlußbürstenachse wirkende Wicklung 5 (zur Erhöhung
der Verstärkereigenschaften). Die Erregerwicklung 6 der Amplidyne besteht aus wenigen
Windungen und wird von den beiden Stoßkreisen, die durch die Stoßröhren 7 und 8
gekennzeichnet sind, erregt. Die Amplidyne wird mit konstanter Drehzahl durch den
Motor 25 angetrieben. Der Motor 25 treibt ferner noch zwei Gleichstrom-Kompoundgeneratoren
23 und 24 an, die die Stromquelle für die Stoßkreise darstellen. Diese Stromquellen
können aber auch durch andere Stromerzeuger ersetzt werden.
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Der Motor i ist mit zwei Drehzahlgebermaschinen 36 und 41 gekuppelt.
Die Maschine ¢1 besitzt eine konstante Erregung 40 und gibt die jeweilige Drehzahl
des Motors in Form von Spannung an. Die zweite Drehzahlgebermaschine 36 erhält ihre
Erregung 35 durch den Motorerregerstrom. Ihre abgegebene Spannung zeigt somit das
Produkt aus Erregerstrom und Drehzahl des Motors i an.
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Die Steuerung des Motors i erfolgt durch einen um den Punkt 65 drehbaren
Hebel 66. Bei der Auslegung des Hebels nach der einen oder anderen Richtung gleitet
der Kontakt 5 2 entweder auf der Schiene 5o oder auf der Schiene 51. Diese beiden
Schienen besitzen unterschiedliches Potential, was durch die Batterie 61 und den
Widerstand 62 angedeutet ist. Der Nullpunkt dieser Anordnung ist an die eine Klemme
der SteuerbrückeS geführt, die aus den ohmschen Widerständen 9, 1o und den verschieden
gerichteten Trockengleichrichtern i i und 12 besteht. Der Gleitkontakt 52 bringt
demnach ein bestimmtes, dem Nullpunkt des Widerstandes 62 entgegengesetztes Potential
auf die andere Klemme der Steuerbrücke S.
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Durch die Ventilwirkung der Trockengleichrichter i i Lind
12 wird einer der Widerstände der Steuerbrücke S unter ;Strom gesetzt, beispielsweise
sei dies der Widerstand io, dessen Potential auf das Gitter 14 der Stoßröhre 7 wirkt.
Fließt durch den Widerstand 22 des anderen Stoßkreises kein 'Strom, so zündet die
Stoßröhre 7, da die Vorspannung 2o derart bemessen ist, daß das Verriegelungsgitter
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die Stoßröhre 7 dann nicht sperrt. Ihre Anodenspannung liefert
der Generator 23, so daß über die Stoßröhre 7, die Erregerwicklung 6 und den Widerstand
2 i ein Strom fließt. Dieser Erregerstrom bewirkt an den Nutzbürsten der Amplidyne
einen entsprechenden Spannungsanstieg mit einer Zeitkonstante T6 (Fig. i), die praktisch
vernachlässigt werden kann. Die hierdurch an der Erregerwicklung 2 des Motors i
auftretende Spannung, die beispielsweise drei- bis fünfmal so groß als die Normalspannung
sein muß und als Stoßspannung wirkt, treibt durch die Motorfeldwicklung 2 -einen
Erregerstrom, dessen Verlauf die Kennlinie 12 der Fig. i zeigt. T2 ist hierbei die
Zeitkonstante des Erregerstromes i..
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Hat der Erregerstrom i. einen bestimmten Höchstwert erreicht, so löst
er auf Grund seiner Richtung ein bestimmtes Potentialgefälle aus, das beispielsweise
am Widerstand 33 die Schaltröhre 31
durch ihr Gitter zum Zünden bringt. Derselbe
Erregerstrom sperrt auf Grund der Richtung seines Potentialgefälles am Widerstand
34 die andere Schaltröhre 3o. Durch das Öffnen der Schaltröhre 31 wird über den
Widerstand 32 ein Nebenschluß hergestellt. Über diesen Nebenschluß fließt ein Teil
des Stromes des Stoßkreises, so daß der durch die Wicklung 6 fließende Erregerstrom
entsprechend vermindert wird. Durch eine bestimmte Auslegung der Widerstände 32
und der Wicklung 6 kann das Verhältnis Stoßerregung zur Normalerregung festgelegt
werden. Nachdem das Feld in der Wicklung 2 .aufgebaut ist, läuft der Motor i hoch.
Seine Drehzahl wird in der Drehzahlgebermaschine 41 in Form von Spannung angegeben.
Diese Spannung arbeitet auf den Widerstand 42, der durch den Kontakt 57 bzw. 59
bestrichen wird. Der Widerstand 42 liegt an der Batterie 43. Durch die Stellung
der Schleifkontakte 57 bis. 59 des Hebels 66 wird der Sollwert der Drehzahl festgelegt.
Die an den Widerstand 42 angelegte Spannung der Drehzahlgebermaschine 4i gibt den
jeweiligen - Istwert der Drehzahl an. Die Differenz der Spannung der Batterie 43
und der Spannung der Drehzahlgebermaschine 4i liefert den Unterschied zwischen Soll-
und Istwert der Drehzahl des Motors i. Diese Spannungsdifferenz wird in dem Verstärker
67 vergrößert und dann auf den Widerstand 44 der Richtbrücke R gegeben.
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Bei einer gewissen Überschreitung des Produktes Drehzahl mal Erregerstrom
des Motors i wird über die Drehzahlgebermaschine 36, den Vergleichswiderstand 63
und die Batterie 37 eine Spannungsdifferenz an den Verstärker 38 weitergegeben,
der seinerseits den Widerstand 39 speist.
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Die Richtbrücke R hat die Aufgabe, die drehzahlabhängigen (Widerstand
44) bzw. ankerspannungsabhängigen (Widerstand 39) Eingriffsimpulse an die Steuerbrücke
S zweckentsprechend gerichtet weiterzugeben. Der Spannungsimpuls am Widerstand 44
greift ein, wenn die Drehzahl von ihrem Sollwert abweicht. Der Spannungsimpuls am
Widerstand 39 greift ein, wenn die Ankerspannung des Motors i unzulässig groß wird.
Dieser Fall kann z. B. bei Bremsbetrieb auftreten, wenn bei hoher Drehzahl das Motorfeld
plötzlich gesteigert wird. Wird beispielsweise der Anker des Motors i über einen
Stromrichter gespeist, so überwiegt dann die Generatorspannung des Motors i die
Wechselrichter-EMK und der Bremsstromstoß wird unzulässig groß. Dies kann zu unerwünschten
Betriebsstörungen führen.
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Durch Betätigen des Hebels 66 können zwei Paare von Schleifkontakten
53, 54 mittels des Kontaktes 55 überbrückt und durch einen Hilfsstromkreis erregt
werden, so daß die unteren oder oberen Relais 45 an der Richtbrücke R ein- oder
ausschalten, je nachdem, ob durch die Richtung des Hebels 66 das Kommando »Vor«
oder »Zurück« für die Drehrichtung gegeben ist. Bei der in der Fig. 2 gezeichneten
Stellung des Kontaktes 55 sind die unteren Relais 45 erregt und damit die Kontakte
dieser Relais geschlossen.
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Tritt an einem der Widerstände 39 oder 44 ein Potential auf, so wird
dasselbe an die Steuerbrücke S weitergegeben und ,arbeitet dem eingestellten Zündpotential
entgegen, so daß ein. Wechsel im Betrieb der Stoßröhren eintritt.
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Dieser Wechsel muß vorerst durch ein Löschen der eben im Betrieb stehenden
Stoßröhre, beispielsweise der Stoßröhre 7, eingeleitet werden. Zu diesem Zweck wird
das Potential am Widerstand 9 nicht nur dazu verwendet, um das Gitter 13 der anderen
Stoßröhre 8 durchlässig zu machen, sondern das Potential des Widerstandes 9 wird
im Verstärker 28 erhöht, um über den Löschkondensator 26 den Stromkreis der Stoßröhre
7 zu unterbrechen.
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Die andere Möglichkeit einer Löschung, nämlich durch Anlegen eines
Sättigungsspanners, 27, dessen Primärwicklung durch einen Verstärker 29 erregt
werden kann, ist für den Betrieb an der Stoßröhre 8 angedeutet.
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Ist der Löschvorgang in der Stoßröhre 7 beendet, so fließt über den
Widerstand 2 i kein Strom mehr. Das Verriegelungsgitter 15 erhält damit durch seine
Vorspannung i9 gegenüber der Kathode der Stoßröhre 8 ein derartiges Potential, daß
es die Stoßröhre 8 nicht mehr sperrt. Damit fließt nunmehr durch. die Stoßröhre
8 ein iStrom. Dieser Strom durchfließt die Erregerwicklung 6 der Amplidyne im entgegengesetzten
Sinn als der zuvor fließende Strom. Damit wechselt die an der Motorerregerwicklung
2 liegende Spannung e in dem Zeitpunkt U ihre Polarität, wie aus der Fig. i ersichtlich
ist, und bringt den Erregerstrom is (bzw. den mittleren Wert des Erregerstromes
i"Z) etwas zum Absinken. Dementsprechend sinkt die Drehzahl des Motors i, der verursachende
Impuls an der Richtbrücke R verschwindet und macht einem weiteren Impuls in der
ursprünglichen Richtung zur Steigerung der Drehzahl wieder Platz. Auf diese Weise
bewegen sich die Steuerimpulse über die Steuerbrücke S in der Form, daß der durch
den Kontakt 57 eingestellte Sollwert der Drehzahl gehalten wird.
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Gemäß Fig.2 ist der Steuerhebel 66 mit einem außen verzahnten
Zahnradsegment 56 gekuppelt.
Das Zahnradsegment 56 steht im Eingriff
mit dem sich am Ort drehbaren Ritzel 6o, das die Bewegung des Zahnradsegmentes 56
auf ein weiteres. innen verzahntes Segment 58 gegenläufig überträgt. Wird beispielsweise
der Hebel 66 nach rechts gelegt, um den Kontakten 51 und 54 das Kommando
»Vorwärts« zu geben, so ,schleift der Kontakt 57 am Widerstand 4z nach rechts und
legt den Sollwert der Drehzahl fest.
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Soll nun gewendet werden, so muß der Hebe166 nach links bewegt werden;
damit wird an den Kontakten 5o und 53 die entgegengesetzte Drehrichtung des Motors
i eingestellt. Der Kontakt 57 wird nach links verschoben und verläßt den Widerstand
42, dafür schleift der Kontakt 59 nunmehr, dasselbe Potential übertragend, zu derjenigen
Widerstandsstelle, die zur Festlegung der gewünschten Größe der Drehzahl erforderlich
ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die Regelung von Gleichstrommotoren, die
als Konstantstrommotoren ausgebildet sind, beschränkt. Sie kann vielmehr auch zur
Regelung von normalen Gleichstrommotoren verwendet werden. Wesentlich ist einzig
und allein, daß die Gleichstrommotoren von einem Konstantstromgenerator bzw. .einem
Konstantstromsystem gespeist werden. Unter einem konstanten Strom ist hierbei nicht
unbedingt ein Strom zu verstehen, dessen Wert stets konstant bleibt; es, kann hierunter
auch ein Strom verstanden werden, dessen Istwert :sich zwischen o und einem Maximalwert,
beliebig begrenzt oder gesteigert, verändern kann.