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Elektrische Fernsteueranlage.
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Fernsteueranlagen, bei denen ein Empfänger die Bewegungen des Senders elektrisch wiederholt. Die Erfindung ist insbesondere auf Sender der Art gerichtet, die einen Kommutator enthalten, dessen Bürsten mit Gleichstrom gespeist werden und die einen Anker enthalten, der einen Satz Verbindungen hat (die entweder auf dem Anker befestigt sind oder sich mittels Kommutatorbürsten in bezug zu ihm bewegen), von denen der Ausgangsstrom entweder unmittelbar zum Empfänger oder zu einem mit einem Empfänger verbundenen Kraftverstärker (beispielsweise einem Kommutatorgenerator) geliefert wird, so dass die Relativbewegung der Eingangsbürsten in bezug auf die Ausgangsbürsten oder die genannten Verbindungen die Stellung
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des Empfängers bestimmt.
Im allgemeinen sind nur zwei Gleiehstromzuführungsbürsten, die verschiedene Potentiale haben, vorgesehen ; ein Satz Äquipotentialbürsten wird zu diesem Zweck und im nachfolgenden als eine Bürste angesehen.
Bei Sendern dieser Art hält das magnetische Feld des Senders in bezug auf die Stellung der Eingangsbürsten keinen konstanten Winkel aufrecht, und infolgedessen hält das magnetische Feld des Empfängers keine genaue konstante Winkelbeziehung mit der Stellung aufrecht, die der Stellung des Magnetfeldes des Senders entspricht.
Der Gesamtwinkel (der als Verzogerungswinkel bekannt ist) zwischen der Stellung des Feldes des Empfängers und der Stellung, die der Empfänger haben sollte, um genau mit dem Sendefeld übereinzustimmen, hängt von der Geschwindigkeit und der Belastung des Empfängers ab, wie aus der Theorie der Wechselströme und ihrer besonderen Anwendung auf dynamo elektrische Maschinen gezeigt werden kann.
Gemäss der Erfindung sind im Sender zur Kompensation der Verzögerung zwei zusätzliche Eingangsbürsten vorgesehen, die zu den üblichen beiden Bürsten vorzugsweise um 900 elektrisch verschoben angeordnet sind. Dann besteht das im Sender erzeugte Feld aus zwei Komponenten ; die eine wird durch den durch den üblichen Satz Eingangsbürsten zugeführten Strom und die andere durch den durch die zusätzlichen Bürsten zugeführten Strom erzeugt. Dadurch, dass man den durch die üblichen und zusätzlichen Bürsten hindurchgehenden zugeführten Gleichstrom auf geeignete Weise von der Belastung und der Geschwindigkeit des Empfängers abhängen lässt, kann das resultierende Feld im Sender in solcher Weise verändert werden, dass es die oben beschriebene Verzögerung kompensiert.
Fig. 1 zeigt eine elektrische Fernsteueranlage mit einem Sender, der gemäss der Erfindung mit zwei Bürstenpaaren versehen ist. Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm, es gibt die Veränderung des Winkels zwischen dem Vektor der an den Empfänger angelegten Spannung und dem Vektor des magnetischen Flusses wieder. Fig. 3 zeigt ein Schaltschema einer elektrischen Fernsteueranlage, bei der zum Zwecke der Kraftverstärkung ein Kommutator benutzt wird (eine solche Anlage ist in der britischen Patent- schrift Nr. 221041 beschrieben) und bei der der Sender zwei Bürstenpaare gemäss der Erfindung hat.
Fig. 4 zeigt graphisch die durch die Erfindung erzielte Berichtigung der Verzögerung. Fig. 5 zeigt ein Vektordiagramm der im Empfängermotor auftretenden Verhältnisse. Fig. 6 zeigt ein Vektordiagramm der Ströme im Sender.
In Fig. 1 bedeutet T den Sender und R den Empfänger. Der Empfänger ist bei dieser Darstellung ein Synchronmotor, der als eine in Stern geschaltete Wicklung dargestellt ist. Irgendwelche andere Verbindungen, die für Synchronmotoren benutzt werden, können gleichfalls angewendet werden.
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Der Sender T hat einen feststehenden Anker A mit drei Ausgangsanschlüssen a,'1\ a2 - entsprechend dem bei diesem Ausführungsbeispiel benutzten Dreiphasensystem-zur Speisung des Empfängers. Eine übliche Antriebskurbel ist mit T'angedeutet. Dem Sender wird der Gleichstrom mittels zweier
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stehender gerader Linien angeordnet sind. Die Bürsten D, D'werden, wie beispielsweise angedeutet ist, mit Strom gespeist, dessen Wert von der Geschwindigkeit des Senders unabhängig ist, während die Bürsten. E, EI mit Strom gespeist werden, dessen Wert proportional dieser Geschwindigkeit ist.
Dies erfolgt mittels eines Motorgenerators, der mittels eines Antriebsmotors F angetrieben wird und der auf gleicher Welle zwei Gleichstromgeneratoren B, BI antreibt, die gemäss der Art ihrer Arbeitsleistung und dem Zwecke, dem sie dienen, Zusatzmaschinen"genannt werden. Der konstante Strom wird von einer Hauptzuführungsleitung H durch einen Widerstand ? und den Anker der Zusatzmaschine B hindurch den Bürsten D, D'geliefert. Die Nebenschlusserregerwicklung J der letztgenannten Maschine ist so berechnet, dass sie im Anker der Zusatzmaschine B eine E. M. K. erzeugt, die der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen dieser Erregerwicklung, d. h. der Potentialdifferenz zwischen den Bürsten D, D\ gleich und entgegengesetzt gerichtet ist.
Infolgedessen wird der den Bürsten D, D gelieferte Strom praktisch gleich der Spannung an den Anschlüssen der Hauptleitung H, geteilt durch den Widerstand ss, sein, gleichgültig, wie gross die Potentialdifferenz zwischen den Bürsten D, D1 sein mag. Letztere muss offensichtlich von dem Ausgangsstrome, dem Werte des den Bürsten E, EI gelieferten Stromes und der Geschwindigkeit des Senders abhängig sein, und es kann infolgedessen nicht erwartet werden, dass sie konstant bleibt. Auf diese Weise spielt die Zusatzmaschine zur Aufrechterhaltung der Konstanz des durch die Bürsten D, D hindurchgehenden Stroms eine wesentliche Rolle.
Der der Geschwindigkeit des Senders proportionale Strom wird den Bürsten E, E1 von der Zusatzmaschine ss1 geliefert. Die Erregerwicklung Jl dieser Zusatzmaschine B1 ist im Nebenschluss, aber nicht wie die entsprechende Windung J der Zusatzmaschine B unmittelbar, sondern über eine kleine Hilfsgleichstrommaschine B2 angeschlossen, die eine konstante Fremderregung hat und als "Feldzusatzmaschine"bezeichnet werden kann. Diese Maschine kann auf der gleichen Welle wie der Sender angeordnet oder mit ihr verbunden sein. Die Erregerwicklung J1 ist nach dem gleichen Grundsatz wie die Erregerwicklung J der Zusatzmaschine B berechnet, damit die Zusatzmasehine B1 die Potentialdifferenz zwischen den Bürsten E, EI kompensiert.
Falls diese Wicklung unmittelbar mit den Bürsten E, EI verbunden wäre oder falls die E. M. K. der Feldzusatzmaschine B2 gleich Null wäre, würde daher kein Strom vorhanden sein, der durch die Bürsten E, E1 hindurchgeht. Zufolge der Wirkung der Feldzusatzmaschine B2 wird jedoch dieser Strom der Geschwindigkeit des Ankers der Zusatzmaschine B2 und infolgedessen ebenfalls der Geschwindigkeit des Senders proportional sein.
In Fig. 2 stellt 0-1 die konstante Komponente dar, 1-2 ist die veränderliche Komponente, die
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legung ergibt, dem Leerlaufspannungsdiagramm eines Synehronmotors. OX stellt in diesem Falle eine Richtung dar, die die Stellung des Rotors wiedergibt. Der Vektor 0-2 stellt eine Spannung bei 20 Perioden dar. Falls der Widerstand des Senders und des Empfängers sehr viel grösser als ihre Reaktanz sein würde, würde die Stellung des Vektors des dem Sender gelieferten Stromes praktisch mit der des Vektors übereinstimmen, der die Spannungsverteilung im Anker des Senders darstellt.
Bei einer bestimmten Vergrösserung des durch die Bürsten E, EI hindurch zugeführten Stroms bei der betreffenden Frequenz würden die Vektorendreieeke des Senders und des Empfängers einander ähnlich sein, und dann würde, wie unschwer zu erkennen ist, die Richtung des der Leerlaufstellung des Rotors entsprechenden Vektors einen konstanten Winkel T mit dem Vektor bilden, der die Stellung der Bürsten D, D1 bei irgendeiner Geschwindigkeit des Senders darstellt.
Fig. 5 stellt das Vektordiagramm eines normalen Synchronmotor dar, wie sich aus folgendem ergibt. In diesem Diagramm ist 0-1 der Bezugsvektor, der den Magnetisierungsstrom des Motors darstellt und in Phase mit dem magnetischen Fluss 0-2 steht. 0-1 ist daher der ideale Magnetisierungs-
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Komponente des Magnetisierungsstromes darstellt. Der gesamte Magnetisierungsstrom wird daher durch 0-3 dargestellt. Die wirksame Komponente des Stroms wird durch. 3- dargestellt, so dass der
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setzt, durch 04 dargestellt wird.
Betrachtet man nun die vorkommenden Spannungen, so stellt 0-5 die Gegen-E. M. K. oder, auf andere Weise ausgerückt, die infolge der Drehung des durch den Vektor 0-2 dargestellten Flusses erzeugte E. M. K. dar. In Gegenphase mit dem Vektor 0-5 steht ein Vektor 0-6, der jene Komponente der aufgedruckten Spannung darstellt, die zur Überwindung der Drehungs-E. M. K. dient. Der Vektor 6-7 stellt jene Komponente der aufgedrückten Spannung dar, die zur Überwindung des Streuflusses dient, und ist daher um 900 gegenüber dem durch den Vektor 04 dargestellten Gesamtstrom verschoben. Der Vektor 7-8 ist eine Komponente der aufgedrüekten Spannung, die zur Überwindung der Ohmschen Verluste dient, und ist daher in Phase mit dem Vektor des Gesamtstromes.
Der Vektor 0-8 stellt nach Grösse und Richtung die aufgedruckte Spannung dar.
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Das erwähnte Vektordiagramm gilt für einen belasteten Synchronmotor. Der Leistungsfaktor der Stromzufuhr ist gleich dem Kosinus des Winkels zwischen den Vektoren 0-4 und 0-8, und die aufgedrückt Spannung ist gegenüber dem Fluss um den Winkel- verschoben. Prüft man nun die Verhältnisse, die im unbelasteten Zustand des Motors vorherrschen, so ergibt sich, dass der Vektor 6-7 in die Stellung 6-7'und der Vektor 7-8 in die Stellung 7-8'gelangt. Das rührt davon
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Praxis annähernd mit dem idealen Magnetisierungsstrom zusammenfällt, so dass der Vektor 6-7' als auf den den Fluss darstellenden Vektor senkrecht stehend angenommen werden kann. 0-8'stellt daher die gesamte aufgedrückte Spannung im unbelasteten Zustande dar.
Der Winkel (ist jener
Winkel, welchen die aufgedrückt Spannung im unbelasteten Zustande mit dem Vektor des Flusses einschliesst. Es ist zu beachten, dass die Grösse des Vektors 0-7'von der Eingangsfrequenz abhängt.
Der Vektor 7-8'hingegen bleibt der Grösse nach gleich, wenn sieh auch die Frequenz ändert, voraus- gesetzt, dass sich der Strom nicht ändert. Daher ändert sich der Verzögerungswinkel (des Flusses in bezug auf die aufgedrückt Spannung entsprechend der Eingangsfrequenz. Der Winkel (ist, wie klar ersichtlich ist, gleich dem Winkel 0-8'-7', und man kann das Dreieck 0-8'-7'und Fig. 2 unmittelbar miteinander vergleichen. Der Vektor OX in Fig. 2 entspricht dem Vektor 7-8'in Fig. 5.
Letzterer ist parallel mit dem Vektor des Flusses und kann daher als Anzeige der Stellung des Rotors angesehen werden. Die in gestrichelten Linien in Fig. 2 eingezeichneten Vektoren entsprechen je einem die Gesamtspannung darstellenden Vektor bei verschiedenen Frequenzen.
Fig. 6 zeigt die Stromverteilung im Sender, und der Vektor 0-9 stellt hiebei jene Komponente des Gleichstromes dar, dessen Grösse von der Drehungsgeschwindigkeit der Bürsten beim Sender, d. h. des drehbaren Teiles des Senders einschliesslich des Betätigungsgriffes, abhängt. Der Vektor 9-10 stellt die konstante Komponente des Gleichstromes dar, die dem Sender durch das übliche Bürstenpaar zugeführt wird, wobei die Vektoren gegeneinander dadurch um 900 versetzt sind, dass das übliche Bürstenpaar und das zusätzliche Paar gegeneinander um 900 versetzt angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass bei einer Änderung der Betätigungsgeschwindigkeit des Senders der Vektor 0-9 sich der Grösse nach ändert, u. zw. in einer Weise, die mit der Grössenänderung des Vektors 0-7'in Fig. 1 verglichen werden kann.
Wenn nun sowohl im Sender als auch im Empfänger die Resistanz grösser als die Reaktanz wird, so fällt praktisch die Stellung des Vektors der zugeführten Spannung für den Empfänger mit der Stellung des Vektors des zugeführten Stromes für den Empfänger zusammen. Es werden daher mit zunehmender Frequenz die Dreiecke 0-7'-8'und 0-9-10 einander ungefähr ähnlich, so dass der Vektor 7'-8', der die Stellung des Rotors des Empfängers anzeigt, einen konstanten Winkel mit dem Vektor 9-10 einschliesst, der seinerseits wieder die Stellung der Bürsten für den konstanten Strom des Senders anzeigt. Es wird daher die Verzögerung zwischen dem Sender und dem Empfänger im unbelasteten Zustande für alle praktisch vorkommenden Verhältnisse konstant bleiben.
Der Wechselstrom-Kommutator-Generator kann als Verstärker ausgebildet werden. Ein derartiger Generator hat eine Erregerwicklung, eine Statorwicklung und eine Rotorwicklung. Mit Hilfe des Kommutators sind die Stator-und die Rotorwicklung miteinander derart verbunden, dass bei Stillstand des Rotors die von dessen Windungen erzeugten E. M. K. einander neutralisieren. Wenn der Rotor sieh mit konstanter Geschwindigkeit dreht, wird aber eine von dem Erregerstrom abhängige E. M. K. erzeugt. Eine Frequenzänderung der Erregung wird bei konstanter Geschwindigkeit des Rotors entsprechende Frequenzänderungen an der Ausgangsseite der Maschine erzeugen.
Bei verschiedenen Frequenzen des Erregerstroms wird dieser aber einen konstanten Phasenwinkel mit der erzeugten Spannung einschliessen. Diese letztere Charakteristik ist von Bedeutung bei dem vorliegenden
System, da der Erregerstrom des Generators durch den Sender zugeführt wird und der Ausgangsstrom des Generators dem Empfänger zugeleitet wird. Wenn die Erregerwicklung des Generators so gebaut ist, dass das Verhältnis ihrer Resistanz zu ihrer Selbstinduktion gleich jenem des Senders ist, dann wird der dem Sender zugeführte Strom einen konstanten Phasenwinkel mit dem Strome in der Erregerwicklung des Generators einschliessen.
Es wird daher der dem Sender zugeführte strom einen konstanten Phasenwinkel mit der erzeugten Spannung einschliessen, die dem Empfänger zugeführt wird, und die Verhältnisse werden dieselben sein wie für den Fall, als der zwischengeschaltete Wechselstrom-Kommu- tator-Generator weggelassen wird.
Bei der in Fig. 3 dargestellten abgeänderten Ausführungsform ist der Empfänger mit den Arbeitswicklungen des Kommutatorgenerators verbunden. Die Erregerwicklung 81 des Kommutatorgenerators wird vom Sender T mit Strom gespeist. Bei einer solchen Anordnung hat die dem Empfänger gelieferte Spannung praktisch einen konstanten Phasenwinkel mit dem Erregerstrom, d. h. mit dem Strome in der Erregerwicklung 81 des Kommutatorgenerators.
Auf Grund der Theorie der Vielphasenströme würde es unschwer sein, zu zeigen, dass der letztgenannte Strom mit dem dem Sender gelieferten Strom einen konstanten Phasenwinkel haben wird, falls das Verhältnis des Widerstandes und der Selbstinduktion des Ankers des Senders dem Verhältnis des Widerstandes und der Selbstinduktion der Erregerwicklung 81 gleicht. Infolgedessen wird unter diesen Bedingungen die Beziehung zwischen der Stellung der Bürsten des Senders und der Stellung des Rotors des Empfängers die gleiche wie im Falle einer unmittelbaren elektrischen Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger, wie in
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Fig. 1 dargestellt ist, sein.
Infolgedessen wird die Korrektion der Verzögerung durch das gleiche Verfahren der Stromzuführung nach dem Sender oder der Steuerstelle wie das in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene erreicht. Der einzige Unterschied zwischen der Stromzufuhr nach dem in Fig. 1 dargestellten und dem in Fig. 3 dargestellten Sender besteht darin, dass bei dem letzteren die Zusatzfeldmaschine B2 nicht unmittelbar mit dem Sender getrieblich verbunden ist, sondern von einem Synchron-oder Induktionsmotor 17 abgetrieben wird, der von dem Kommutatorgenerator S gespeist wird und infolgedessen die gleiche Geschwindigkeit hat (oder annähernd die gleiche Geschwindigkeit, falls der Motor Wein Induktionsmotor ist) wie der Sender T.
Zur Darstellung des praktischen Gebrauchs der vorliegenden Erfindung zur Korrektur der Verzögerung ist in Fg. 4 eine graphische Darstellung von experimentellen Ergebnissen wiedergegeben,
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0-2500 stellen die Umdrehungen pro Minute und 0-100 die Verzögerungsgrade zwischen dem Sender und dem Empfänger bei Leerlauf dar. X ist eine Verzögerungskurve ohne Korrektion, und Y ist eine Verzogerungskurve mit der Korrektion gemäss der Erfindung. Die kleine Spitze in der Kurve Y ist durch die Tatsache bedingt, dass die Widerstands/Selbstinduktionsverhältnisse des Ankers des Senders und der Erregerwicklung des Kommutatorgenerators nicht gleich waren.
PATENT-ANSPRÜCHE :
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(Steuerstelle) und Empfänger (gesteuerte Stelle), dadurch gekennzeichnet, dass der Sender ausser den üblichen zwei Stromzuführungsbürsten zwei zusätzliche Bürsten aufweist und der den zusätzlichen
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resultierende Feld im Sender zur Kompensation der Verzögerung verändert wird.