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Meßkreis mit Tachometerdynamo Bei der Regelung von elektromotorischen
Antrieben, seien es einzelne Antriebe oder insbesondere Mehrmotorenantriebe, ist
es vielfach erforderlich, die Drehzahl der Motoren als Einflußgröße zu erfassen.
In sehr vielen Anwendungsfällen wird dies in der Weise durchgeführt, daß von dem
Motor ein Tachometerdynamo angetrieben wird, dessen Spannung zur Messung der Drehzahl
dient und den Regler beeinflußt. Die Verwendung derartiger Anordnungen bei längerem
Betrieb hat gezeigt, daß die dem Meßglied des Reglers zugeführten elektrischen Werte
sich unter dem Einfluß von Störgrößen ändern. Solche Anderungen können beispielsweise
in dem Feld der Tachometermaschine, im ohmschen Widerstand des Meßkreises bzw. durch
Temperaturänderungen eintreten.
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Durch Beseitigung der Einflüsse, die durch diese Änderungen bedingt
werden, ist bereits eine Anordnung bekanntgeworden, bei der eine Differenz bildung
zwischen der zu überwachenden Größe und einer Leitgröße vorgenommen wird. Allerdings
soll bei dieser vorbekannten Anordnung die Drehzahl einer Fördermaschine oder eines
ähnlichen Antriebes über wacht werden, bei dem sehr starke Unterschiede auftreten,
also mit einem großen Geschwindigkeitsbereich zu rechnen ist. Dieser weite Bereich
ist durch die Forderungen einer wirtschaftlichen Förderung mit hoher Fördergeschwindigkeit
bedingt, wobei aber gleichzeitig, insbesondere bei Personenförderung ein möglichst
sanftes Einfahren in die einzelnen Haltestellungen angestrebt wird, so daß kurz
vor dem Anhalten gewissermaßen eine Schleichgeschwindigkeit notwendig wird. Um diesen
großen Geschwindigkeitsbereich mit der notwendigen Genauigkeit und im Interesse
der Betriebssicherheit hohen Empfindlichkeit überwachen zu können, wird ein Differentialgetriebe
zur Differenzbildung zwischen der zu überwachenden und einer konstanten Drehzahl
vorgesehen. Dabei wird einmal die Differenz und ein andermal die Summe der Drehzahlen
bestimmt und diese Werte von dem Tachometerdynamo ausgenutzt.
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Demgegenüber bezieht sich die Einrichtung nach der Erfindung auf
Anordnungen, bei denen mit einem geringen zu überwachenden Geschwindigkeitsbereich
zu rechnen ist. Innerhalb dieses kleinen Bereiches wird jedoch eine hohe Genauigkeit
und Meßempfindlichkeit gefordert.
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Auch bei dem Meßkreis mit Tachometerdynamo zum Vergleich von verschiedenen
Größen, insbesondere der Drehzahlen von Mehrmotorenantrieben, wird der Tachometerdynamo
mit einer Drehzahl angetrieben, die der Differenz der zu überwachenden Größe, vorzugsweise
der Drehzahl des zu überwachenden Antriebes, und einer Leitgröße, beispielsweise
der Drehzahl eines Leitmotors proportional ist. Gemäß
der Erfindung wird die Differenzgröße
zwischen der zu überwachenden Größe und einer nur wenig von dieser abweichenden
Leitgröße gebildet und durch eine Ubersetzung erhöht auf den Tachometerdynamo zur
Einwirkung gebracht. Bei der Einrichtung nach der Erfindung nimmt die Leitgröße
also einen Wert an, der sich nur ganz gering von der zu überwachenden Größe unterscheidet
und so gewählt werden kann, daß noch innerhalb des zu überwachenden Geschwindigkeitsbereiches
eine Differenzbildung möglich ist.
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Je näher Leitgröße und zu überwachende Größe beieinanderliegen, um
so genauer wird die Messung. Im Grenzfalle kann daher die Leitgröße so gewählt werden,
daß eine der Grenzen des zu überwachenden Geschwindigkeitsbereiches bzw. des Änderungsbereiches
der zu überwachenden Größe mit der Leitgröße zusammenfällt, d. h. mit anderen Worten,
die Differenzgröße wird dann am einen Ende des Bereiches zu Null.
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Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in Fig. 1
der Zeichnung dargestellt. Mit 1 ist ein Antriebsmotor bezeichnet, dessen Drehzahl
beispielsweise auf einem konstanten Wert gehalten werden soll, der etwa l500 U/min
beträgt. 2 stellt einen Leitmotor dar, der mit einer etwa um 10°/o höheren Drehzahl
umläuft. Der Motor 1 ist mit einem 8poligen Frequenzwandler 3 gekuppelt, dessen
Läuferteil 4 von einem Synchrongenerator 5 gespeist wird, der seinerseits von dem
Leitmotor2 angetrieben wird. Wenn angenommen wird, daß der Synchrongenerator 5 eine
Spannung mit einer Frequenz von 90 Hz auf den 8poligen Frequenzwandler gibt, so
beträgt die von dem umlaufenden Ständerteil des Frequenzwandlers abgegebene Frequenz
10 Hz. Mit dieser Frequenz
wird ein Synchronmotor 6 gespeist, der
über ein Übersetzungsgetriebe 7 den Tachometerdynamo 8 speist.
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Dieser bildet wieder den Bestandteil eines Meßkreises 9 (in Fig. 2
herausgezeichnet) und arbeitet in diesem auf einen Regler 10, der seinerseits den
Antriebsmotor beeinflußt.
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Es wird also hierbei der Tachodynamo mit einer Drehzahl angetrieben,
die der um das Übersetzungsverhältnis des Getriebes vergrößerten Differenz zwischen
den Drehzahlen des Antriebsmotors einerseits und des Leitmotors andererseits entspricht.
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Eine Erklärung für die durch eine derartige Anordnung erhöhte Genauigkeit,
die in einer Verringerung der Fehlereinflüsse besteht, ist aus folgender Ableitung
zu ersehen: Bezeichnet man mit n die Drehzahl, mit E die in der Tachomaschine induzierte
Spannung, mit d5 ihr Feld, mit R den ohmschen Widerstand und mit J den Strom des
Meßkreises, so gilt E=0-n= J-R. (1) Weisen die Zeiger 1 und 2 auf zwei Betriebszustände,
der Zeiger m auf den Antriebsmotor hin, so ergibt sich #1n1 #2n2 J1-J2= - . (2)
R1 R2 Solange # und R konstant bleiben, wird J1-J2=#/R(n1-n2)=#/R(nm1-nm2). (3)
Die Stromänderung ist also proportional der Drehzahländerung des Tachos bzw. des
Motors, mit dem der Tacho gekuppelt ist. Die Gleichung stellt ein Maß für die Empfindlichkeit
des Tachos dar.
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Regelungen mit Tachomaschinen im Meßkreis haben den Nachteil, daß
die Meßgrößef1-J2 auch von den Größen 0 und R abhängig ist, die sich in längerer
Zeit z. B. infolge Erwärmung ändern. Legt man in Gleichung (2) die gleiche Tachodrehzahl
n1 zugrunde, so errechnet sich die durch Erwärmung auftretende Stromänderung zu
diese entspricht einer Drehzahländerung n1-n2 beim ursprünglichen Zustand, also
J1-J2=#/R(n1-n2), (5) aus (4) und (5) folgt
dies stellt den Regelfehler infolge Erwärmung dar Um den an dem geregelten Antriebsmotor
auftretenden Fehler zu berechnen, sind in Gleichung (6) die Drehzahlen n1 und n2
des Tachodynamos durch die Motordrehzahlen unter Einführung der Leitdrehzahl nL
zu ersetzen. Hierbei ist die Leitdrehzahl eine Drehzahl, die sich in der Größe von
der Motordrehzahl unterscheidet, beispielsweise 10% höher oder niedriger als diese
ist. Wenn i die Ubersetzung des Getriebes ist, das zwischen einen mit der Differenz-
drehzahl
umlaufenden Motor und den Tachodynamo geschaltet ist, so ergibt sich n1=(nm1-nL)#i:
n2=(nm2-nL)#i: in (6) eingesetzt: nm1-nm2 - 1 -- Rs 2 nm1-nmL #1 R2 Da nm1-n1=1/K#nm1
gesetzt werden kann, wird
Hierbei ist K eine Konstante, die im Falle des angenommenen Ausführungsbeispiels
unter Zugrundelegung einer Leitdrehzahl von 1750 U/min 10 beträgt.
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Der Vergleich mit Gleichung (6) zeigt. daß bei der Schaltung nach
der Erfindung der Fehler auf den K-ten Teil zurückgeht. Wenn man Gleichung (7) in
Gleichung (3) einsetzt, so erhält man J1-J2=@/R#i#(nm1-nm2). (9) Es ergibt sich
daraus, daß die Empfindlichkeit von der Differenzdrehzahl (nm1-nmL) unabhängig ist,
jedoch mit der Größe der Übersetzung i zunimmt. Es kann also auf diese Weise die
Meßempfindlichkeit erheblich gesteigert werden.
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Ein besonderer Vorteil einer Anordnung nach der Erfindung besteht
weiter auch darin, daß die Tachomaschine und der dazugehörige Meßkreis abseits von
dem Antriebsmotor, z. B. in einem abgeschlossenen Schalt- oder Reglerraum, untergebracht
werden kann, wodurch das Eindringen von Einflüssen, die zu Fehlern im Meßkreis führen
können, erschwert, die Meßgenauigkeit also weiter erhöht wird.
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Für viele Anwendungsfälle kann es eine zusätzliche Verbesserung und
Vereinfachung bedeuten, wenn die von dem Frequenzwandler gelieferte Wechselspannung
als Tachospannung verwendet wird, wodurch die Tachomaschine 8 und ihr Antriebsmotor
6 entbehrlich werden. Dadurch ergibt sich eine bedeutende Vereinfachung, wobei die
grundsätzlichen Vorteile gewahrt bleiben.
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Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Der zu
regelnde Motor 21 und der die Solldrehzahl gebende Leitmotor 22 sind von dem Netz
23 gespeist. Mit dem Motor 21 ist ein Frequenzwandler 24 gekuppelt, der an das von
dem Synchronmotor 25 gespeiste Drehstromnetz 26 angeschlossen ist. Dabei sind Polzahl
des Frequenzwandlers und Frequenz des Netzes so gewählt, daß die an den Schleifringen
des Frequenzwandlers abgenommene Spannung einen Bruchteil der Frequenz des speisenden
Netzes besitzt.
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Hat z. B. der Motor 21 eine Drehzahl von 1500 UpM, wählt man einen
8poligen Frequenzwandler und schließt diesen an das Drehstromnetz von 90Hz an, so
daß Drehfeld und Läufer gleiche Drehrichtung haben, so ergibt sich eine Sekundärfrequenz
von 10Hz. Ist die Spannung des Drehstromnetzes 450 Volt und verhalten sich die Windungszahlen
von Stator und Läufer des Frequenzwandlers wie 1 :1, so ist ohne Berücksichtigung
der Verluste die Sekundätspannung
50 Volt. Die Sekundärfrequenz
ist also 1/10 der Umlauffrequenz von 100 Hz des Frequenzwandlerrotors.
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Die Sekundärspannung des Frequenzwandlers wird hierbei unmittelbar
als Meßgröße zur Drehzahlüberwachung des Motors verwendet. Erhöht sich z. B. die
Drehzahl des Motors um 1%. so beträgt die Sekundärfrequenz 100#1,01-90=11 Hertz
und die Spannung 500#1,01-450=55 Volt (ohne Berücksichtigung der Spannungsabfälle
im Frequenzwandler).
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Die Regelung kann z. B. entsprechend der Zeidnung so erfolgen, daß
die Sekundärspannung und die dem Netz 26 über einen mit dem Leitmotor gekuppelten
Leitfrequenzwandler 27 entnommene Vergleichsspannung über passende Meßumformer 28
und 29 in einem Widerstand 31 verglichen werden. Von diesem wird die bei Drehzahlabweichungen
auftretende Differenzspannung dem Regler 30 zugeführt. der durch Regelung des Nitotors
21 die Störung aus regelt.
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Wie beim ersten Ausführungsbeispiel übertragen sich Änderungen in
der Ist- und Sollgröße mit dem gleichen absoluten Betrag (unter Berücksichtigung
der Übersetzungsverhältnisse in Frequenzwandlern und Transformatoren), prozentual
werden die Spannung änderungen am Widerstand 9 bei dem gewählten Beispiel jedoch
verzehnfacht. Fehler im Primärkreis z. B. infolge Widerstandsänderung machen sich
also im Regelkreis voll bemerkbar. Tritt jedoch auf der Sekundärseite der Frequenzwandler
eine Widerstandsänderung auf, so entspricht diese Spannungs- bzw.
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Stromänderung von nur tltíì des Nfotors. Auf der Primärseite können
solche Fehler weitgehend vermieden werden. Fehler auf der Sekundärseite aber werden
durch die Anordnung nach der Erfindung in ihrer Auswirkung auf einen Bruchteil reduziert.
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Wenn man die Frequenzwandler mit einem Spannungsül,ersetzungsverhältnis
größer als 1 : 1 ausführt. so dall also die Stillstandsspannung größer als die Primärspannung
wird, so wird dadurch die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der ganzen Meßeinrichtung
erhöht.
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Wenn man mit einem Instrument den Quotienten n-n' zweier Tachospannungen
mißt, tritt ein Fehler n f # A im Instrument auf, der mit dem Faktor f proportional
dem Meßbereich A des Instrumentes gesetzt werden kann.
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Mißt man bei einer Anordnung nach der Erfindung den Wert n n-n',
so beträgt dieser z. B. 10mal soviel als bei Anordnungen. bei denen die Tachos direkt
mit den Älotoren gekuppelt sind. Wegen der günstigeren Energieverhältnisse ist dann
der Fehlerfaktor f bei einem Instrument. das für NIessung gemäß Anordnung nach der
Erfindung bemessen ist. kleiner, so daß sich eine genauere Messung ergibt.