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Einrichtung zur Drehzahlregelung elektrischer Maschinen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Drehzahlregelung elektrischer Maschinen, insbesondere von Triebfahrzeugen.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein erster, die Anker-EMK der elektrischen Maschine zumindest näherungsweise abbildender Messkreis sowie ein zweiter, den Erregerfluss der elektrischen Maschine zumindest näherungsweise abbildender Messkreis vorhanden sind und die Differenz der Ausgangsgrössen der beiden genannten Messkreise zur Auslösung von Schaltmassnahmen für die Drehzahlregelung dient.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben. Die Fig. 1, 2 und 3 stellen Schaltungsvarianten für eine Einphasen-Reihenschlussmaschine dar.
Fig. 4 zeigt die Anwendung des Erfindungsprinzips bei einer Gleichstrommaschine.
Fig. 5 bezieht sich wiederum auf Einzelheiten einer Einphasen-Reihenschlussmaschine.
Der Fig. 6 können Besonderheiten einer zweck- mässigen Schaltung eines Verstellmotors entnommen werden.
In Fig. 1 ist mit 1 der Stufentransformator eines Einphasen-Reihenschlussmotors, mit 2 dessen Anker und mit 3 die Erregerwicklung bezeichnet. Die Wendepol- und Kompensationswicklung wurden zur Vereinfachung fortgelassen. An den Klemmen des Ankers 2 liegt die Primärwicklung eines ersten Span- nungswandlers 4, dessen Sekundärwicklung zum Eingang einer ersten Gleichrichterbrücke 5 führt, deren Ausgang mit einem ersten Widerstand 6 verbunden ist.
An den Klemmen der Erregerwicklung 3 liegt die Primärwicklung eines zweiten Spannungswandlers 7, dessen Sekundärwicklung zum Eingang einer zweiten Gleichrichterbrücke 8 führt, an deren Ausgang ein zweiter Widerstand 9 angeschlossen ist. 7' kennzeich- net eine Drossel, und 10 stellt ein Auslös.eorgan dar, das zur Betätigung weiterer, nicht gezeigter Schaltelemente dient.
Die Wirkungsweise der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung ist folgende: Bezeichnet man mit E die Anker-EMK des Motors, mit k eine Konstante, mit n die Motordrehzahl und mit 0 den Erregerfluss, so gilt bekanntlich die Beziehung E = k - n - 0. Werden zunächst die Spannungsabfälle des Motorankers vernachlässigt, so kann E ungefähr gleich der Ankerspannung U2 gesetzt werden.
Damit ergibt sich n = k,. - U2/0. Der aus dem ersten Spannungswand- ler 4, der ersten Gleichrichterbrücke 5 sowie dem ersten Widerstand 6 bestehende erste Messkreis führt einen Strom J., welcher der Ankerspannung U2 proportional ist. Man kann also schreiben: J, = k2 - U2. Da ferner die Spannung an den Klemmen der Erregerwicklung 3 dem magnetischen Fluss verhältnisgleich ist, gilt auch J8 = kg - 0.
Setzt man diese Werte in die Beziehung für n ein, so wird n = k4 - J@/Je. Das Auslöseorgan 10, beispielsweise ein Relais, liegt an der Differenzspannung J5 - Re - J8 - a - R9, wobei a die jeweilige Stellung des Abgriffs am Widerstand 9 kennzeichnet. Solange nun diese Differenzspannung grösser oder kleiner als Null ist, betätigt das Auslöseorgan einen Antrieb, wodurch am Transformator 1 andere Stufen eingeschaltet werden.
Der Schaltvorgang ist beendet, wenn J5 - Re - J8 - a - R9 = 0 wird. Hieraus folgt J5lJe=a - R9/Re, sowie n=k4 - a - R9/Re; h=ks'a 3 da R9/Re ebenfalls eine Konstante ist. Der Motor wird also bei einem vorbestimmten Werte von a auf eine konstante Drehzahl geregelt. Kommt er ins Schleudern, so wirkt die Regeleinrichtung automatisch auch als Schleuderschutz.
Ferner ist noch zu erwäh-
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nen, dass zur Berücksichtigung von Netzfrequenz- änderungen im zweiten Messkreis Drosseln 7' vorgesehen werden können.
In Fig. 2 sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Nunmehr wird jedoch die Drehzahlregelung nicht unter Zuhilfenahme einer Differenzspannung, sondern einer Stromdifferenz J.-J$ durchgeführt. Hierzu besitzen die beiden Schalttransduktoren 11, 12 (an deren Stelle auch Stromrelais treten könnten) zwei Steuerwicklungen. Dem gewählten Arbeitspunkt entsprechend schaltet der eine Transduktor das Stufenschaltwerk des Transformators 1 aufwärts, der andere abwärts. Der ver- änderbare Widerstand 6', welcher von einem Verstellmotor 13 betätigt wird, legt die einzuregelnde Drehzahl fest.
Die Wirkungsweise lässt sich analog zur Anordnung gemäss Fig. 1 darlegen. Der Verstell- motor könnte natürlich bei einer der Fig. 1 entsprechenden Schaltung zur Verschiebung des Abgriffs am Widerstand 9 Verwendung finden.
Eine weitere Variante des Erfindungsgegenstandes zeigt Fig. 3. Dort sind wiederum gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1 und Fig. 2. Im zweiten, den Erregerfluss der elektrischen Maschine abbildenden Messkreis ist nun ein Schaltelement 14 angeordnet, das eine veränderbare induktive Kopplung aufweist. Die Wirkungsweise lässt sich wie folgt erläutern: Führt die Primärwicklung des Induktionsreglers 14 den Fluss ip, so ist die Sekundärwicklung mit der Flusskomponente cp - sin a verkettet.
Zwischen J, und cp - sin a besteht Proportionalität. Das gleiche gilt auch für (p und den Erregerfluss der elektrischen Hauptmaschine. Es ist also J8 = kg - eh - sin a und J, = k2 - U2. Ermittelt man hieraus U, und (P und setzt diese Werte in die schon früher angegebene Gleichung n = k1 - U,lch ein, so ergibt sich n = k,
- sin a - J"lJa. Die auf die Stromdifferenz ansprechenden Transduktoren 11, 12 beenden den Schaltvorgang am Stufentransformator, sobald J,-J8 = 0, d. h. J5/J, = 1 ist. Damit wird n=k7-sina . Das Erfindungsprinzip lässt sich auch bei Gleichstrommaschinen verwirklichen. In Fig. 4 wird mit 2' der Anker eines nebenschlusserregten Motors bezeichnet. 3' ist die Erregerwicklung. An den Klemmen des Ankers 2' liegt ein Widerstand 6", der den ersten Messkreis darstellt.
Der Widerstand 9", welcher mit einem den Feldstrom führenden Widerstand 15 in Verbindung steht, repräsentiert den zweiten Messkreis. 17 ist ein linearer, 16 ein nichtlinearer Zusatzwiderstand. Am Auslöscorgan 10 liegt die Differenzspannung JE - Ra., - J9 - a R9", wobei a wiederum die jeweilige Stellung des Abgriffs am Widerstand 9" kennzeichnet.
Solange diese Differenzspannung grösser oder kleiner als Null ist, werden Schaltmass- nahmen durchgeführt, beispielsweise Änderungen des Erregerstromes oder der Ankerspannung, wodurch sich die Drehzahl n auf einen von a abhängigen Wert regeln lässt. Bisher wurde angenommen, dass zwi- sehen dem Erregerstrom und dem Erregerfluss ein linearer Zusammenhang bestünde. Will man die Sättigungserscheinungen ebenfalls berücksichtigen, so sind im zweiten Messkreis nichtlineare Widerstände 16 vorzusehen.
Ferner ist bisher die elektromotorische Kraft des Ankers gleich der Ankerspannung gesetzt worden. Zur genaueren Erfassung der EMK müsste noch in bekannter Weise der Spannungsabfall im Anker berücksichtigt werden. Beim Einphasen-Reihenschluss- motor kann diese Aufgabe gemäss Fig. 5 gelöst werden. Dort ist ein vom Ankerstrom durchflossener Stromwandler 18 vorgesehen, an dessen Sekundärwicklung ohmsche und induktive Zusatzwiderstände 19, 20 angeschlossen sind.
Der entsprechende Wirkabfall c - J - R und der Blindspannungsabfall c - J - X werden von c - U, subtrahiert, so dass an den Eingangsklemmen der ersten Gleichrichterbrücke 5 eine der EMK proportionale Grösse c - E zur Verfügung steht.
Der Verstellmotor 13, welcher bestimmte Mess- kreisglieder betätigt, ermöglicht eine Drehzahländerung der Hauptmaschine. Es ist nun zweckmässig, diesen Verstellmotor mit Hilfe von Vorrichtungen zu beeinflussen, welche den Hauptmaschinenstrom überwachen sowie einen Schleuderschutz gewährleisten. Letzteres ist dann besonders wichtig, wenn bei Vorhandensein von mehreren Motoren die Drehzahlregel- einrichtung lediglich an einem Motor vorgesehen ist. Fig. 6 zeigt eine entsprechende Schaltung.
Mit 13 wird wieder der Verstellmotor bezeichnet. 21 ist ein Umschalter, 22 ein Einsteller, 23 ein Transduktor. Die Widerstände 24, 25 stehen mit Gleichrichterbrücken 28, 29, die Widerstände 26, 27 und auch die Drosseln 26', 27' mit Gleicbrichterbrücken 30, 31 in Verbindung. Eine weitere Gleichrichterbrücke 32 ist an eine Steuerwicklung eines Transduktors 33 angeschlossen. Die Ankerströme J" und Jb, beispielsweise von zwei Fahrmotoren, durchfliessen Stromwandler 34, 35, 36, 37.
Die vorgenannte Anordnung wirkt folgendermassen: Mit Hilfe des Fahrschalters betätigt der Fahrzeugführer den Umschalter 21 sowie den Einsteller 22. Der Motor 13 wird über die Brücke 28 gespeist und verstellt, je nachdem, ob das Fahrzeug beschleunigt oder verzögert werden soll, beispielsweise das Messkreisglied 14 (Fig.3), die Kurbel des Widerstandes 6' (Fig. 2) bzw. die Abgriffe an den Widerständen 9, 9" (Fig. 1, Fig.4) im entsprechenden Sinn.
Solange die Fahrmotorströme JQ, Jb bestimmte Höchstwerte nicht überschreiten, ist der von den Gleichrichterbrücken 30, 31 einer Steuerwicklung des Transduktors 33 zugeführte Strom sehr gering, da die Drosseln 26', 27' noch ungesättigt sind.
Falls aber die zulässigen Stromhöchstwerte bzw. die stromproportio- nalen Spannungen an den Widerständen 26, 27 einen vorbestimmten Höchstwert überschreiten, kommen die Drosseln 26', 27' in die Sättigung, ihr Widerstand wird praktisch gleich Null, und die Brücken 30, 31 liefern einen starken Steuerstrom, so dass der Trans-
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duktor 33 über die Brücke 29 einen Ausgangsstrom erzeugt, welcher jenem der Brücke 28 entgegengerichtet ist. Der Verstellmotor 13 kommt daher zum Stillstand oder läuft sogar zurück.
Analog ist die Wirkung der Schleuderschutzvorrichtung. Haben nämlich die Ströme J" und Jb etwa gleiche Grösse, so ist der Differenzstrom der Brücke 32 vernachlässigbar klein und der Transduktor 33 bleibt gesperrt. Schleudert jedoch einer der Motoren, so tritt ein starker Differenzstrom auf, der über eine Steuerwicklung des Transduktors 33 fliesst und diesen öffnet. Hierdurch entsteht wiederum über die Brücke 29 ein dem Strom der Brücke 28 entgegengerichteter Strom.