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Drehzahlregler.
Bei allen Drehzahlreglern werden zur Veränderung der Beaufschlagung der Antriebsmaschinen die Trägheitskräfte bewegter Massen in irgendeiner Form verwendet. Die beiden wichtigsten Gruppen sind die eigentlichen Fliehkraftregler und die Beharrungsregler. Die vorliegende Erfindung ist eine neue
Art der Ausnutzung der Trägheitswiderstände beschleunigter Massen, die, auf der Theorie der erzwungenen Schwingungen beruhend, in viel bequemerer Art und Weise, als dies bei den andern Reglern der Fall ist, eine nicht nur ausserordentlich feinfühlige, sondern auch sehr schnelle Regelung erreichen lässt.
Aus der Theorie der Schwingungen ist bekannt, dass ein schwingungsfähiges Gebilde, wenn es von einer nach einer periodischen Funktion veränderlichen Kraft erregt wird, mit der Frequenz dieser
Funktion schwingt, so zwar, dass zwischen dem maximalen Kraftwert und der maximalen Schwingungamplitude ein Zeitunterschied (Phasenverschiebung) besteht, der nur vom Unterschied der Eigenfrequenz des schwingenden Gebildes und der Erregungsfrequenz abhängt und im Falle der Resonanz (Gleichheit der beiden Frequenzen) ein Viertel der Zeit einer ganzen Schwingung beträgt. Vorliegende Erfindung besteht in der Ableitung der Regulierbewegung von der Veränderlichkeit dieser Phasenverschiebung.
Die nach einer periodischen Funktion veränderliche Kraft wird von einem Synehrongenerator erzeugt. Dient die Kraftmaschine direkt zum Antriebe eines Synchrongenerators, so kann die periodisch veränderliche Kraft direkt von einer Phase dieses Generators abgeleitet werden. Dient jedoch die Kraft- maschine zum Antriebe anderer Maschinen (etwa elektrischer Maschinen, wie Gleichstromdynamos,
Asynchrongeneratoren od. dgl. oder aber mechanischer Arbeitsmaschinen), so wird ein Hilfssynchron-
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veränderlichen Kraft dient.
Die Figuren der Zeichnung zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und ihrer Verwendung.
Der Apparat (Fig. 1) besteht aus der Spule 1 (etwa nach Art der Rahmenspulen von Drehspuleninstrumenten), die von den Federn 3, 4 getragen wird. Die Federn sind an den Stellen s eingespannt.
Die Spule liegt derart im Felde eines permanenten Magneten, dass im Ruhezustand jeder Schenkel der Spule sich vor einem der Pole 5, 6 befindet. Die Spule schwingt mithin, wenn Wechselstrom durch die Spule geleitet wird, zwischen dem permanenten Magneten und einem den Kraftlinienfluss schliessenden Anker (s. auch Fig. 4). Zur Zuleitung des Wechselstromes sind die Federn 3, 4 an die Spannung E einer Phase des Synchrongenerators oder des Hilfssynchrongenerators angeschlossen. Die Spannung E und der Ohmsche Widerstand ist so gross, dass die durch das Schwingen der Spule in ihr induzierte Spannung vernachlässigt werden kann und der Strom in Phase mit der Spannung schwingt.
Die Feder 4 ist verlängert und taucht mit dem Tauehstift 7 in den Quecksilbernapf 8. Über die Feder 4 als Unterbrecher wird nun an die Spannung ein polarisiertes Relais 9 angeschlossen, das gegenüber seiner Selbstinduktion einen so hohen Ohmschen Widerstand hat, dass die Phasenverschiebung in ihm vernachlässigt werden kann. Parallel zur Unterbrecherstelle 8, 7 ist ein Kondensator 10 geschaltet, der das Entstehen von Funken verhindert. 11, 12 sind Läufer, durch deren Verschiebung die gewünschte Eigenschwingung eingestellt werden kann.
Die Wirkungsweise der Einrichtung soll nun an Hand der Fig. 2 erläutert werden. Als Abszisse ist die Zeit aufgetragen ; die Ordinaten der Kurve I sind die Spannungen des Wechselstromes E bzw. in einem andern Massstabe die Relaisströme ; die Ordinaten der Kurve II sind die jeweiligen Entfernungen
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der Spitze des Tauchstiftes 7 vom Spiegel des Quecksilbers im Napf 8 im Falle der Resonanz. Die positiven Ordinaten geben also die Abstände der Spitze oberhalb, die negativen Ordinaten die Abstände unterhalb, also die Tauchtiefen, an.
Aus den Kurven ist ohne weiters ersichtlich, dass im Falle der Resonanz durch das Relais ein Strom vom algebraischen Mittelwert Null hindurchgeht. Ändert sich die Drehzahl der Antriebsmaschine und mithin die Frequenz des benutzen Wechselstromes, so schiebt sich die Kurve II nach rechts oder nach links. Es fliesst dann durch das Relais ein Strom mit einem von Null verschiedenen algebraischen Mittelwert nach der einen oder andern Richtung, wodurch das Relais den Steuermotor oder das Steuerventil nach der einen oder andern Seite steuert. Bei der normalen Frequenz von beispielsweise 50 lässt es sich leicht erreichen, dass sich die Kurve II um ein Achtel Periode nach links verschiebt, wenn die Frequenz auf 51 steigt. Doch kann die Empfindlichkeit für besondere Zwecke noch wesentlich gesteigert werden.
Ein Aussertrittfallen des Reglers ist auch bei allergrösster Empfindlichkeit ausgeschlossen.
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(bei plötzlichen grossen Belastungsschwankungen) verbinden, braucht man bloss einen hochempfindlichen und einen unempfindlichen Regler gemeinsam auf den Steuermotor wirken zu lassen, so dass der unempfindliche Regler sicher noch früher zu regeln beginnt, bevor der hochempfindliche aufhört. Die dazu erforderlichen zwei Apparate können auch in einen zusammengebaut werden. Dieser Regler besitzt abgesehen vom Bewegungswiderstand des Relais überhaupt keine Eigenreibung. Die sogenannte erste Kompensation durch Rückführung bei Fliehkraftreglern fällt bei diesem Regler überhaupt weg.
Das Überregeln wird ohne jegliche Kompensation dadurch in sehr engen Grenzen gehalten, dass bei Belastungsschwankungen noch vor Erreichung der alten Drehzahl die Relaisfeder den Steuermotor abschaltet oder das Steuerventil in die Null-Lage bringt. Die Empfindlichkeit kann durch die Federspannung des Relais einfach geregelt werden.
Will man die um 1800 verschobene Stromwende ebenfalls zur Relaisregelung benutzen, so wird die Feder 4 derart verlängert, dass sich ein Schwingungsknoten ausbildet. Die Feder erhält dann zwei Tauchstifte, die um 180 in der Phase verschoben schwingen. Damit sich keine Schwingungen von dreiviertel Wellenlänge überlagern können, wird der Knoten unterstützt.
Eine derartige Einrichtung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Bezeichnung ist dieselbe wie in Fig. 1. Die Federn 3, 4 sind wieder an die Spannung E angeschlossen, ferner ist die Feder 4 verlängert und mit zwei Tauchstiften 7, 7 ausgestattet. Das Relais besitzt in diesem Falle zwei Wicklungen, die, wie aus der Schaltung hervorgeht, bei zwei aufeinander folgenden Stromwenden durch die Federn verkehrt an das Netz angeschlossen werden. Die gegenseitige induktive Einwirkung der beiden
Relaiswieklungen aufeinander stören die Arbeitsweise der Einrichtung durchaus nicht.
Will man beide Stromwenden zur Relaisregelung benutzen, kann man auch statt eines Apparates nach Fig. 3 zwei Apparate nach Fig. 1 verwenden, wobei jedoch auf eine richtige Schaltung zu achten ist.
Es ist ferner wichtig, dass die geraden Harmonischen immer verschwinden ; bei Synchrongeneratoren ist dies an und für sich immer der Fall, bei Verwendung kleiner Hilfssynchrongeneratoren (etwa Läuteinduktoren) ist darauf Rücksicht zu nehmen (durch geeignete Ausbildung der Polschuhe.).
Es ist vorteilhaft, für die Spule 1 eine höhere Spannung zu verwenden als für das Relais 9. Es liegen daher beim Antrieb von Synchrongeneratoren die Spule und das Relais jedes an einer andern
Windungszahl des im allgemeinen notwendigen Transformators. Bei Verwendung von eigenen Hilfs- synchrongeneratoren legt man zweckmässig die Spule 1 unmittelbar an die Spannung E und das Relais 17 an einen Transformator.
Der so ausgeführte Apparat hätte den Nachteil, dass die Schwingungsamplitude im Falle der
Resonanz unzulässig gross wird. Mit einer Verringerung der Erregung wäre nicht geholfen, da die
Schwingungsamplitude sonst wiederum zu klein würde, wenn keine Resonanz vorläge. Man muss daher durch eine besondere Einrichtung die Amplitude bei Resonanz herunterdrücken, ohne die Änderung der Phasenverschiebung der Federschwingung zu stören. Zwei der möglichen Ausführungsformen dieser
Beeinflussung der Amplitude zeigen die Fig. 4 und 5.
Die Polschuhe (Fig. 4) und der ihnen gegenüberliegende Anker sind V-förmig ausgenommen, wodurch die Kraftwirkung auf die Spule bei einer Phasenverschiebung von 90 (nämlich bei Resonanz) am kleinsten ist. Denn bei dieser Phasenverschiebung befindet sich die Spule gerade dann in der Mitte des V-förmigen Polraumes (also an einer Stelle eines schwächeren Feldes), wenn der durch die Spule fliessende Strom ein Maximum ist.
Bei der zweiten Ausführungsform nach Fig. 5 ist die Anordnung so getroffen, dass dann die Rahmen- spule eine Dämpferspule 13 trägt. Wenn die Amplitude zu gross wird, kommt diese Dämpferspule 13 in den Bereich des starken Feldes. Die durch die Dämpfung hervorgerufene Vergrösserung der Eigen- schwingungsdauer der Spule wird dadurch kompensiert, dass sich bei Amplituden von jener bestimmten
Grösse angefangen, z. B. die obere Feder an zwei Stellschrauben 14, 15 anlegt, die entsprechend abge- rundet sind.
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Der Isodromregler nach der Erfindung kann auch zur Regelung von Arbeitsmaschinen verwendet werden, die mit veränderlicher Drehzahl angetrieben werden sollen. Zu diesem Zwecke wird der Synchrongenerator E (Fig. 6) von der Antriebsmaschine A, die mit der Arbeitsmaschine B gekuppelt ist, durch die konischen Riemscheiben 0, D angetrieben. Wird der Riemen (beispielsweise selbsttätig durch die Arbeitsmaschine) verstellt, so wird der Synchrongenerator rascher oder langsamer laufen, mithin zu regeln beginnen, bis er wieder mit der Resonanz läuft. Dadurch hat er die Antriebsmaschine verlangsamt oder beschleunigt, so dass er die Arbeitsmasehine nunmehr mit der gewünschten Geschwindigkeit antreibt.
Die Regelung erfolgt also in der Weise, als ob der Antriebsmotor A auf der Welle von E sässe und die Arbeitsmaschine B durch das Getriebe E, D, 0 antreiben würde.
Bei elektrischen Antrieben, bei welchen trotz grosser Spannungsschwankungen im Netz eine konstante Drehzahl eingehalten werden soll, kann vom Hauptmotor, der wie schon früher erwähnt, einen Hilfssynchrongenerator antreiben muss, eine ständig umlaufende Steuerwelle für den Feldregler oder die Bürstenbri1Ie angetrieben werden, auf welcher geeignete Kupplungen sitzen, die vom Relais gesteuert werden, so dass die Steuerwelle den Feldregler oder die BÜrstenbri1Ie betätigt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Drehzahlregler, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Felde eines permanenten Magneten angeordnetes, durch einen von der Antriebsmaschine abgeleiteten Wechselstrom in Schwingungen versetztes System (beispielsweise eine auf Federn ruhende Spule) den Stromkreis eines Relais, das auf den Steuermechanismus derAntriebsmaschine einwirkt und imnebenschluss zurErregerspule desschwingenden Systemes liegt, im Rhythmus der Frequenz der benutzten Spannung unterbricht.