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Elektrischer Frequenzregler.
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richtungen kann man dadurch frequenzabhängig machen, dass man in ihrem Stromkreis entweder eine Selbstinduktion oder eine Kapazität einfügt, wobei Konstanz der Spannung vorausgesetzt wird. Im Falle der Kapazität variiert dann der Strom proportional, im Falle der Selbstinduktion umgekehrt proportional der Frequenz. Fügt man Kapazität und Selbstinduktion in Reihenschaltung in den Stromkreis ein, so ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ein Mass für die Frequenz. Auf diesen Überlegungen beruhen verschiedene bekannte Einrichtungen zur Regelung einer Frequenz. Sie haben aber alle den Nachteil, dass sie einerseits recht unempfindlich sind, anderseits den Änderungen der Frequenz, zu deren Ausgleich sie dienen, nicht rasch genug folgen.
Um diese Mängel zu beheben und vor allem höchste Empfindlichkeit mit raschester Ausregelung zu vereinigen, wird nach der Erfindung für die Frequenzregelung ein Regler verwendet, bei welchem eine Reihe von an sich bekannten Einrichtungen zusammenwirkt. Bei dem neuen Regler stehen das oder die beweglichen Systeme unter dem Einfluss von Strömen, in deren Kreisen Selbstinduktion und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass die Frequenzregelung-im Gegensatz zu einer bekannten Einrichtung-unabhängig von der Spannung erfolgt. Ferner ist das oder sind die beweglichen Systeme des Reglers mit Wälzsektoren gekuppelt, die sich auf einer sehr feinstufigen Kontaktbahn abwälzen.
Nur auf diese Weise können die obengenannten Bedingungen erfüllt werden.
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es sich bei Fig. 1 um die Ausnutzung der Resonanz zwischen Selbstinduktion und Kapazität, bei Fig. 2 bis 5 um den gegensätzlichen Einfluss zweier Stromkreise, von denen der eine Selbstinduktion, der andere Kapazität enthält ; gemäss Fig. 2 und 3 wirken die Drehmomente zweier Erregersysteme und gemäss Fig. 4 und 5 die Ströme zweier Erregerspulen einander entgegen. Fig. 6 und 7 zeigen zwei Anwendungbeispiele des neuen Frequenzreglers.
In allen Beispielen ist der Einfachheit halber ein Regler mit Drehsystem dargestellt, in Fig. 3 und 4 ein solcher mit Schaltkontakten zur Betätigung eines Servomotors, sonst ein Regler mit Wälzsektor zur unmittelbaren Verstellung von Widerständen, die im Stromkreis eines elektrischen Antriebsmotors oder eines Verstellapparates für die Kraftmittelzufuhr einer beliebigen Kraftmaschine liegen.
Fig. 1 zeigt einen an ein Einphasennetz n bzw. an zwei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossene
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ist, dass sie mit der Selbstinduktion des Stromkreises der Spule b bei der gewollten normalen Frequenz in Resonanz ist. Damit in diesem Falle der Strom nicht über das zulässige Mass ansteigt, ist der Widerstand g eingeschaltet. Derselbe dient zugleich mit dem Widerstand f dazu, dem Stromkreis der Spule a möglichst induktionsfreien Charakter zu verleihen. Bei Normalfrequenz und Resonanz heben sich Selbstinduktion und Kapazität im Kreis der Spule b gerade auf ; die Phasenverschiebung ist auch hier Null, ebenso wie im Stromkreis der Spule a, und in beiden Spulen fliesst Strom der gleichen Phase.
Infolgedessen tritt keinerlei Drehmoment auf, und das Drehsystem d des Reglers bleibt stehen. Ändert sich aber die Frequenz, so herrscht im Kreis der Spule b keine Resonanz mehr, es überwiegt entweder der
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Einfluss der Selbstinduktion oder der der Kapazität ; infolgedessen hat der Strom in diesem Kreise Phasenverschiebung, es entsteht ein Drehmoment im Regler nach der einen oder andern Richtung, das das Drehsystem zum Ausschlag veranlasst.
Nach anderem Prinzip arbeitet der Regler gemäss Fig. 2, der an das Drehstromnetzn angeschlossen ist. Er besteht aus zwei vollständigen Regelvorrichtungen, deren Drehsysteme du und da miteinander starr gekuppelt sind, während ihre Erregerfelder el und so geschaltet sind, dass die erzeugten Dreh-
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satoren h, denen des andern Systems Drosselspule i vorgeschaltet. Bei einer bestimmten Frequenz nehmen beide Systeme und reinen solehen Strom auf, dass die auf die Drehsysteme d1 und da ausgeübten Drehmomente sich aufheben.
Bei sinkender Frequenz werden Strom und Drehmoment des Systems el, dl
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wert der Frequenz, bei dem der Regler in Ruhe bleibt, kann mit Hilfe des regelbaren Vorschaltwiderstandes m eingestellt werden. Schwankungen der Netzspannung sind auf die Einrichtung ohne Einfluss, da beide Systeme an der gleichen Spannung liegen, deren Schwankungen sich infolgedessen auf beide Systeme in genau gleicher Weise auswirken. Das gleiche gilt für die Phasenverschiebung im Netz und die Temperatur.
Man kann den beiden Erregersystemen el und eu auch ein einziges, gemeinsames Drehsystem zuordnen, wie das in Fig. 3 veranschaulicht ist. Statt wie bei Fig. 1 und 2 einen Regler mit Widerstandsverstellung anzutreiben, kann das Drehsystem auch gemäss Fig. 3 lediglich Endkontakte schliessen oder öffnen, die zweckmässig als Schnappkontakte ausgebildet werden.
Der Frequenzregler gemäss Fig. 2 und 3 besitzt grosse technische, bauliche und betriebliche Vorteile. Wie schon erwähnt, ist er vollkommen spannungs-, cos (p und temperaturunempfindlich.
Dagegen kann er äusserst empfindlich auf Frequenzänderungen gebaut werden, da er vollkommen statischen Charakter aufweist. Da das eine System induktiven, das andere kapazitiven Strom aufnimmt, kompensiert sich die Stromaufnahme beider Systeme, und infolgedessen ist der Bedarf des Reglers an Scheinleitung äusserst gering. Schliesslich ist der Verlauf des Gesamtdrehmomentes in Abhängigkeit von der Frequenz sehr günstig, da das Einzeldrehmoment jedes Systems eine quadratische Funktion des Stromes ist. Statt der Drehsysteme konnten auch Zugsysteme, also Elektromagnete mit Zugspulen, verwendet werden.
Um die Ansprechgenauigkeit des neuen Reglers noch zu erhöhen, kann man auch den Regler nach Fig. 2 oder 3 mit einem solchen nach Fig. 1 kombinieren, indem man ein Drehsystem nach Fig. 1 mit einem solchen nach Fig. 2 oder 3 kuppelt und das erste Drehsystem nach dem Resonanzprinzip gemäss Fig. 1, das zweite Drehsystem nach dem Gegenschaltungsprinzip nach Fig. 2 oder 3 erregt.
Wenn anderseits keine so grossen Anforderungen an die Frequenzempfindlichkeit gestellt werden, kann man bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 gegebenenfalls einen besonderen Kondensator lu weglassen und sich mit der Kapazität der Leitungen bzw. dem Ohmschen Widerstand m begnügen.
Eine weitere Abart des Erfindungsgedankens wird durch den Regler nach Fig. 4 verkörpert. Sein Drehsystem d wird von drei Spulen o, p, q beeinflusst, die wieder derart gespeist werden, dass die Ströme in ihnen dann ein Drehfeld erzeugen, wenn die Frequenz von der normalen abweicht. Zu diesem Zweck ist die Spule 0 des Reglers an die Spannung zwischen zwei Phasen des Spannungswandlers t angeschlossen, während die beiden Spulen p und q zwischen der dritten Phase und dem Nullpunkt des Wandlers liegen. Der Kreis der Spule p enthält den Kondensator h, der Kreis der Spule q die Drosselspule i nebst Einstellwiderstand m. Kapazität und Selbstinduktion in den Kreisen der Spulen p und q werden nun so abgeglichen, dass sich die in ihnen erzeugten Felder bei Normalfrequenz genau aufheben, und daher kein Drehmoment auf das Drehsystem cl ausgeübt wird.
Weicht die Frequenz vom Normalwert ab, so nimmt der Strom z. B. in der Spule p zu und zugleich der um 1800 verschobene Strom in der Spule q ab, und der resultierende Strom erzeugt ein Feld, das mit dem um 90'verschobenen der Spule o ein Drehmoment ergibt.
Es ist natürlich nicht nötig, dass die Phasenverschiebung zur Erzeugung des Drehmomentes 90 beträgt. Ferner kann man den resultierenden Strom zur Speisung des Reglers auch in einem besonderen Stromwandler erzeugen, wie das in Fig. 5 dargestellt ist. Hier sitzen die beiden von der gleichen Netzphase mit 1800 phasenverschobenen Strömen gespeisten Wicklungen p und q auf dem Eisenkern eines Stromwandlers w. Bei Abweichung der Frequenz vom Normalwert speist dessen dritte Wicklung r die Spule s des Reglers, dessen zweite Wicklung o von einer andern Phase des Netzes n erregt wird.
Der Regler nach Fig. 4 und 5 besitzt ähnliche Eigenschaften wie derjenige nach Fig. 2 und 3. Auch er lässt sich zwecks Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit mit einem solchen nach Fig. 1 kuppeln. Auch er lässt sich mit Zugspulen ausführen.
Im folgenden seien noch zwei wichtige Anwendungsgebiete des neuen Reglers an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Kraftstation. Jeder Generator werde von einer Wasserturbine angetrieben, deren Beaufschlagung in üblicher Weise von einem Servomotor I geregelt wird. Dessen Regelventil wird von einem elektrischen
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wicklung i wird von einem Frequenzregler nach der Erfindung beeinflusst, dessen Drehsystem d ent- sprechend der Zahl der zu regelnden Generatoren vier Wälzsektoren auf ihren Widerständen gleichzeitig verstellt. Jedem Generator IIV sind ein Sektor des Drehsystems d und eine Steuerspule i zugeordnet,
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regler y, die dazu dienen, den Belastungsanteil jedes Generators individuell nach Bedarf von Hand einzustellen.
Auf diese Weise können die Belastungsverhältnisse des Kraftwerkes von einer Stelle aus be- herrscht werden.
Statt der einzelnen Generatoren eines Kraftwerkes können natürlich auch die Einzelwerke einer
Gruppe von zusammengeschlossenen Kraftwerken in ihrer Belastungsverteilung beliebig von einem
Zentralpunkt beeinflusst werden. Auch kann man die Widerstände y selbsttätig, etwa nach einem ge- gebenen Fahrplan oder Verteilungsschlüssel, verstellen lassen.
Als weiteres Beispiel für die Anwendung des neuen Frequenzreglers kann der Mehrmotorenantrieb einer Papiermaschine dienen. Bekanntlich hängt das Papiergewicht pro laufenden Meter bzw. die Dicke des Papiers von der Geschwindigkeit der Papiermaschine ab. Will man gleichmässiges Papier haben, so muss man die Maschine mit ebenso gleichmässiger Geschwindigkeit laufen lassen ; diese muss daher ständig an Hand von Probemessungen nachreguliert werden. Verwendet man aber den Frequenzmesser nach der Erfindung, so kann die Geschwindigkeit selbsttätig genau konstant gehalten werden. Fig. 7 zeigt schematisch den Mehrmotorenantrieb einer Papiermaschine mit den Motoren 1, 2, 3 usw., die von der Leonarddynamo x aus gespeist werden.
Der relative Gleichlauf aller Motoren 1, 2,3 usw. wird durch Differentialregler v gewährleistet, deren Leitfrequenz von einem kleinen Synchrongenerator u geliefert wird. Dessen Frequenz wird nun von einem Frequenzregler d, e nach der Erfindung jeweils konstant gehalten, welcher auf die Drehzahl des die Maschine u treibenden Motors einwirkt. Statt dessen könnte der Frequenzregler natürlich auch auf die Spannung der Leonarddynamo x bzw. ihrer Erreger- maschine einwirken. Dies hat den Erfolg, dass die Leitfrequenz, geliefert von der Maschine u, genau konstant bleibt, unabhängig von äusseren oder inneren Einflüssen, wie Schwankungen der Frequenz des Hauptnetzes n, Temperatureinflüssen usw.
Will man andere Papierstärken erzeugen, so verstellt man gleichzeitig mit der Spannung der Leonarddynamo auch die Leitfrequenz durch andere Abstimmung der induktiven Verhältnisse der Erregerkreise des Frequenzreglers.
Selbstverständlich sind mit den genannten Beispielen die Anwendungsgebiete des neuen Reglers nicht erschöpft. Unter anderm ist er z. B. in vielen Fällen geeignet, in Verbindung mit einem kleinen
Wechselstromerzeuger als einfacher Drehzahlregler den gewöhnlichen Fliehkraftpendelregler zu ersetzen.
Diesem elektrischen Drehzahlregler kann man in einfachster Weise alle die verschiedenen Charakteristiken geben, die ein Pendelregler haben kann ; man kann Ungleichförmigkeitsgrad und Statik durch Dämpfung und Federung des Drehsystems beeinflussen. Auch kann man den neuen Regler als Leistungs-oder als
Isodromregler ausbilden.
PATENT-ANSPRUCHE :
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bekannter Einrichtungen : das oder die beweglichen Systeme des Reglers stehen unter dem Einfluss von Strömen, in deren Kreisen Selbstinduktion und Kapazität enthalten und derart aufeinander abgestimmt sind (z. B. auf Resonanz bei Normalfrequenz), dass die Frequenzregelung unabhängig von der Spannung erfolgt ; eines oder mehrere dieser beweglichen Systeme sind mit Wälzsektoren gekuppelt, die sich auf einer sehr feinstufigen Kontaktbahn abwälzen.