DE1041136B - Elektronische Nachregulierschaltung mittels eines Hilfsmotors ueber einen Verstaerker mit Gegenkopplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Nachregulierschaltung zur Ferneinstellung von Wellen, zur Übertragung von Winkeldaten nach Geschützen und für ähnliche Steuerungszwecke, bei welcher ein vorher in Wechselstrom von veränderlicher Amplitude umge- S formtes, einen Fehler anzeigendes Zeichen in einer Röhrenverstärkerschaltung verstärkt und einem zu beeinflussenden Wechselstrom-Hilfsmotor zugeleitet wird, dessen Ständer zwei Wicklungen enthält, von denen die eine durch die verstärkten Ströme und die andere durch einen konstanten Strom gleicher Frequenz gespeist wird.

Es ist bekannt, für die Ausführung einer elektronischen Nachregulierschaltung dieser Art zur Erzielung einer kurzen Ansprechzeit und einer genauen Wirkungsweise eine Röhrenverstärkerschaltung mit hohem Verstärkungsgrad und mit breitem Frequenzband zu verwenden, und ebenso gehört es zum Stande der Technik, daß man, um die Stabilität und nach Verwirklichung der Stabilitätsbedingungen auch das genaue Arbeiten der Nachregulierschaltung zu erreichen und aufrechtzuhalten, Schaltgebilde vorsehen muß, welche in der erforderlichen Weise berichtigend wirken.

Gemäß einem vielfach gebräuchlichen Verfahren führt man an einem Punkt der Röhrenverstärkerschaltung eine der Winkelgeschwindigkeit des Läufers des Wechselstrommotors proportionale Spannung mit zu den unmittelbar verstärkten Strömen gegensinniger Phase ein. Diese Maßnahme kommt der Schaffung eines zusätzlichen mechanischen Widerstandsmoments bei dem Motor gleich. Um sie mit einfachen Mitteln zu verwirklichen, kann man bekanntlich die gegenelektromotorische Kraft, die an den Eintrittsklemmen des in Bewegung befindlichen Motors auftritt, benutzen und eine dieser gegenelektromotorischen Kraft proportionale Spannung an einer Stelle der Röhrenverstärkerschaltung mit Phasengegensätzlichkeit anlegen.

Bei jeder Anwendung dieses bekannten Verfahrens muß man an den Eintrittsklemmen des Motors die gegenelektromotorische Kraft entnehmen. Zu diesem Zweck ist es üblich, zwischen die Ausgangsklemmen der Röhrenverstärkerschaltung und die Eintrittsklemmen des Motors eine abgeglichene Wheatstonesche Brücke einzuschalten, die zwei in einem gegebenen Verhältnis zueinander stehende Widerstände aufweist, die je einen Brückenzweig bilden und durch einen Differentialtransformator als gleichwertigen Brückenteil in bekannter Weise ersetzt werden können. Diese Brücke enthält außerdem zwei Zweige, von denen der eine durch den Motor und der andere durch ein den elektrischen Gleichgewichtszustand der Brücke herstellendes elektrisches Schaltgebilde gegeben ist. Die-Elektronisdie Nachregulierschaltung

mittels eines Hilfsmotors über einen

Verstärker mit Gegenkopplung

Anmelder:

Societe Alsacienne de Constructions
Mecaniques, Mühlhausen (Frankreich)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. elemente, Patentanwalt,
Deggendorf, Krankenhausstr. 26

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 18. Dezember 1951

Georges Rene Couanault,

Vitry-sur-Seine, Seine (Frankreich),

ist als Erfinder genannt worden

ses Schaltgebilde kann so ausgestaltet und benutzt werden, daß es von seinen beiden Eintrittsklemmen ab einen Scheinwiderstand aufweist, der gleich dem durch den Verhältnis faktor der Brückenzweige dividierten Scheinwiderstand des Motors ist.

Die Röhrenverstärkerschaltung speist die Brücke durch eine ihrer Diagonalen, und der Weg für die Rückführung der gegenelektromotorischen Kraft nach der Verstärkerkette zweigt von der anderen Brückendiagonalen ab. Wenn der elektrische Gleichgewichtszustand der Brücke hergestellt ist, d. h. wenn die Scheinwiderstände des Motors und des das elektrische Brückengleichgewicht herbeiführenden Schaltgebildes genau in dem Verhältnis der Brückenzweige zueinander stehen, wird keine von der Ausgangsspannung der Röhrenverstärkerschaltung abhängige Spannung in dem Rückweg für die gegenelektromotorische Kraft auftreten. Ist dieser Gleichgewichtszustand unvollkommen, so wird über diesen Rückweg eine Spannung, die proportional der umgekehrt zu dem Wert

— proportionalen, d. h. von den Impedanzen Z

und ζ + Az abhängigen Ausgangsspannung der Röhrenverstärkerschaltung ist, von der Brücke aus in die Röhrenverstärkerschaltung mit einer beliebigen Phase wieder eingeführt werden. Hierbei tritt ein schwerwiegender Übelstand auf, der darin besteht, daß die Auswirkungen dieses Nebenrückkopplungsweges in gewissen Fällen nicht die Verwirklichung der wesent-

£09' 653/319

1 044 136

lichen Stabilitätsbedingung- des Servomechanismus gestatten.

Bei den bisher gebräuchlichen Ausführungen von mit Wheatstonescher Brücke arbeitenden elektronischen Nachregulierschaltungen benutzt man für:: die. Herstellung des Gleichgewichtszustandes der Brücke nur einfache Schaltgebilde, wie z. B. Widerstände. Zur Erzielung einer rasch und doch genau ansprechenden Regulierschaltüng ist aber die Einstellung eines viel vollkommeneren Gleichgewichtszustandes notwendig, damit man in dem Einführungsweg der gegenelektromotorischerr Kraft eine kräftige Verstärkung vorsehen kann, ohne daß die Nebenrückkopplung die Stabilität des Systems beeinträchtigt. Ferner ist unter den bei der Ausgestaltung des Schaltgebildes für die Herbeiführung des Brückengleichgewichtes zu berücksichtigenden Wirkungen vor allem der Einfluß der durch das Eisen des magnetischen Kreises bedingten Nichtproportianalität zwischen der Klemmspannung des Motors und der Stärke des Motorstromes von Bedeutung. Ein Schaltgebilde mit linearen Scheinwiderständen kann daher keinen befriedigenden elektrischen Gleichgewichtszustand der Brücke ergeben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese Mängel und Ubelstände bei einer elektronischen Nachregulierschaltung der geschilderten Art zu vermeiden, bei der ein Zweiphasenmotor durch eine als Fehlerermittler wirksame Röhrenschaltung über eine Röhrenverstärkerschaltung mit Gegenrückkopplung gespeist wird und mit seinem Drehmoment auf den Fehlerermittler zurückwirkt und im Gegenkopplungskreis eine Wlieatstonesche Brücke mit beliebig gewähltem Verhältnis der Zweige und mit Anschluß der einen Diagonale an die Aüsgangsseite und der anderen Diagonale an einen Zwischenpunkt der Röhrenverstärkerschaltung liegt und außerdem von zwei Zweigen dieser Brücke der eine den Zweiphasenmotor und der andere ein den Scheinwiderstand des Motors im angenommenen Verhältnis dieser Zweige wiedergebendes, den elektrischen Gleichgewichtszustand der Brücke herstellendes Sehaltgebilde enthält. Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit einfachen Mitteln dadurch, daß das zur Herbeiführung des elektrischen Gleichgewichtszustandes der Wheatstoneschen Brücke dienende Ausgleichsschaltgebilde einen Kreis aus ferromagnetischem Werkstoff aufweist und an seinen Klemmen einen nichtlinearen Scheinwiderstand als Funktion der Stärke des durchgehenden Stromes zeigt sowie in dem gewählten Verhältnis den nichtlinearen Scheinwiderstand des Motors darstellt.

Man hat bei einer mit einer Röhrenverstärkerschaltting ohne Wlieatstonesche Brücke arbeitenden Schaltanordnung zur Steuerung eines zweiphasigen Motors in Abhängigkeit von elektrischen Spannungsimpulsen schon vorgeschlagen, als das elektrische Gleichgewicht herstellendes Schaltgebilde einen Kreis aus ferromagnetischem Werkstoff in der Form eines Ausgangstransformators der Röhrenverstärkerschaltung in der Weise vorzusehen, daß die Sättigung des Transformatorkerns die Bremsung des Motors bei Fehlen der Spannungsimpulse bewirkt und bei deren Anwachsen abnimmt sowie die Endröhre der Verstärkerschaltung durch Einwirkung auf die Sättigung des magnetischen Kreises die veränderbare Phase des Motors beeinflußt. Bei dieser Schaltanordnung ist die maximale Ausgangsspannung der Röhrenverstärkerschaltung wegen der Sättigung des Magnetkreises des Ausgangstransformators durch den Ruhestrom der Endröhre verhältnismäßig gering, und außerdem weist das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung der Verstärkerschaltung zeigende -Kurveribild eine Übergangszone zwischen der VoIl- : 5 und .Teilsättigung des Transformatormagnetkreises auf, welche das Ansprechen der Schaltanordnung auf den Fehlerstrom erheblich verlangsamt. Im Gegensatz hierzu wird bei der Nachregulierungsschaltung nach der Erfindung unter Verwendung einer Wheatstoneschen Brücke mit an die Ausgangsseite bzw. an einen Zwischenpunkt der Röhrenverstärkerschaltung angeschlossenen Diagonalen und mit als Brückenzweig geschaltetem Wechselstromhilfsmotor sowie mit einem das Brückengleichgewicht als Brückenzweig herstellenden Schaltgebilde eine erhebliche Steigerung der Verstärkerspannung und der Ansprechgeschwindigkeit durch die besondere Ausbildung dieses Schaltgebildes mit einem " ferromagnetischen Kreis und einem nichtlinearen Scheinwiderstand erreicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform dieses den elektrischen Gleichgewichtszustand der Brücke herbeiführenden Ausgleichsschaltgebildes ergibt sich bei einem von der Einheit verschiedenen Verhältnis k der Brükkenzweige dadurch, daß der magnetische Kreis mit Hilfe von Blechen gleicher Beschaffenheit wie die

"' Bleche des magnetischen Kreises des in seinem elektrischen Gleichgewichtszustand zu haltenden Motors gebildet und der Kraftfluß des aus den Blechen bestehenden magnetischen Kreises &-mal so klein wie der Kraftfluß des Motors gewählt ist sowie das Verhältnis der Breite des Luftspaltes zur Gesamtlänge des magnetischen Kreises beim Schaltgebilde und beim Motor den gleichen Wert hat.

Wenn das Verhältnis k so angenommen ist, daß der Scheinwiderstand des Ausgleichsschaltgebildes £-maI

■ kleiner als der Scheinwiderstand des Motors ist, wird die Leistung, die in diesem in der abgeglichenen Brücke angeordneten und vom gleichen Strom wie der Motor durchflossenen Schaltgebilde verlorengeht, nur der 1/fe-te Teil der vom Motor aufgenommenen

'-■ Leistung und somit ganz wesentlich verringert sein. Falls.das Verhältnis der Zweige an der Brücke gleich der Einheit ist, kann das Ausgleichsschaltgebilde nach der. Erfindung ein mit dem Zweiphasenmotor gleicher Motor sein, dessen Läufer stillgesetzt ist.

Die Zeichnung veranschaulicht die elektronische Nachregulierschaltung nach der Erfindung beispielsweise in einer Ausführungsform.

Abb. 1 zeigt.die Schaltungsanordnung in ihrer Gesamtheit, und

Abb. 2 und 3 lassen die Ausgestaltung des zur Herstellung des Brückengleichgewichtszustandes bei der Schaltung nach Abb. 1 dienenden Ausgleichsschaltgebildes als Zweiphasenmotor und als Transformator erkennen.

Durch die in Abb. 1 veranschaulichte Nachregulierschaltung mittels eines Hilfsmotors soll die Winkellage einer umlaufenden Welle 101 gesichert werden, an die sich eine gleichzeitig auch mit einer zweiten Welle 104 in Verbindung stehende und die Winkelabweichung zwischen diesen Wellen, d. h. den zu berichtigenden Fehler ermittelnde Röhrenschaltung 102 anschließt, die mit einer konstanten Frequenz von z. B. 50 Hertz durch eine Wechselstromquelle 103 gespeist wird und einen Strom von gleicher Frequenz und von einer der Winkelabweichung zwischen der Welle 101 und der Welle 104 proportionalen Amplitude zu liefern hat. Der von der Röhrenschaltung 102 abgegebene, in seiner Amplitude veränderliche Fehlerstrom wird in einer Röhrenverstärkerschaltung 105

verstärkt, worauf er über eine Wheatstonesche Brücke 106 einem Zweiphasenmotor 107 zugeleitet wird, dessen Ausgangswelle 108 an die Welle 104 und über den durch diese gegebenen mechanischen Rückweg an die Röhrenschaltung 102 Anschluß hat. Die Wheatstonesche Brücke 106 besteht aus zwei je einen Brükkenzweig bildenden und in einem gegebenen Verhältnis zueinander stehenden Widerständen 109, 110 und aus zwei weiteren Zweigen, von denen der eine die Ständerwicklung 112 des außerdem noch die wechselstromgespeiste Ständerwicklung 111 aufweisenden Zweiphasenmotors 107 und der andere ein den elektrischen Gleichgewichszustand der Brücke herstellendes elektrisches Schaltgebilde 113 enthält.

Die Röhrenverstärkerschaltung 105 liegt mit ihrer Ausgangsseite in einer der beiden Brückendiagonalen, während an den Endpunkten der anderen Brückendiagonalen eine Spannung, die proportional der an den Eintrittsklemmen des umlaufenden Motors 107 auftretenden gegenelektromotorischen Kraft ist, abgenommen und über eine Rückleitung 114 in einen Punkt der Röhrenverstärkerschaltung 105 mit entgegegengesetzter Phase eingeführt wird.

Das zur Herstellung des elektrischen Gleichgewichtszustandes der Brücke gemäß Abb. 1 dienende Schaltgebilde 113 kann durch einen in Abb. 2 in sei- _. nen Hauptbestandteilen wiedergegebenen, dem Hilfsmotor 107 gleichen Elektromotor gebildet sein, dessen

Ständerwicklung 202 über ihre Klemmen 201, 201' in die Brückenschaltung nach Abb. 1 als der das Brückengleichgewicht herstellende Zweig eingeführt ist und von einem Wechselstrom mit konstanter Frequenz, z. B. von 50 Hertz, und mit veränderlicher Amplitude durchflossen wird, während eine zweite Ständerwicklung 203 des Motors mit einer Wechselstromquelle 204 von gleicher Frequenz verbunden ist und mit einem Wechselstrom von konstanter Amplitude gespeist wird. Der Läufer 205 des Motors trägt die schematisch angedeutete Wicklung 206 und ist stillgesetzt. Das Ausgleichsschaltgebilde nach Abb. 2 kommt zur Anwendung, wenn das Verhältnis der Zweige der Brücke gleich der Einheit ist.

Die aus Abb. 3 ersichtliche Ausführungsform eines den elektrischen Gleichgewichtszustand bei der Brükkenschaltung nach Abb. 1 herbeiführenden Schaltgebildes besteht aus einer Primärwicklung 302 mit den Eingangsklemmen 301 und 301' und aus einer in sich kurzgeschlossenen Sekundärwicklung 303 sowie aus einem magnetischen Kreis 304. Zwei durch geeignete Träger abgestützte Stapel von L-förmig gestanzten Magnetblechen, die durch zwei Luftspalte 305 und 305' voneinander getrennt sind, bilden den die Wicklungen 302, 303 durchsetzenden magnetischen Kreis 304. Die Magnetbleche, die auch anders wie L-förmig gestanzt sein können, sind zweckmäßig ungefähr von der gleichen Beschaffenheit wie die Bleche des magnetischen Kreises des im elektrischen Gleichgewicht zu haltenden Motors und bestehen wie diese z. B. aus Ferrosilicium.

Der Kraftfluß des magnetischen Kreises 304 ist £-mal kleiner als der nach den technischen Regeln bemessene Kraftfluß des magnetischen Kreises des Motors 107 der Schaltung nach Abb. 1, wenn k der Wert des gewünschten Verhältnisses zwischen dem Widerstand des Motors 107 nach Abb. 1 und dem Widerstand des Schaltgebildes nach Abb. 3 ist. Das Verhältnis der Breite der Luftspalte 305, 305' zur Gesamtlänge des magnetischen Kreises 304 wird gleich dem entsprechenden Verhältnis beim Motor gewählt. Unter diesen Bedingungen sind die Induktionen, die im Eisen auftreten, wenn man einerseits dem Motor 107,nach Abb. 1 und anderseits der zweckmäßig gewickelten Primärspule 302 nach Abb. 3 Spannungen mit veränderlicher Amplitude und mit einem Größenverhältnis k zuführt, angenähert gleich und ebenso infolgedessen auch die Wirkungen der Abweichungen der Linearität im Motor nach Abb. 1 und im Schaltgebilde nach Abb. 3 bei Einfügung dieser beiden Bestandteile der Nachregulierschaltung in eine Wheatstonesche Brücke mit dem Verhältnis k.

Um die Einzelheiten der Ausführung der beiden Wicklungen 302 und 303 des hinsichtlich seines magnetischen Kreises 304 in der angegebenen Weise bestimmten Schaltgebildes nach Abb. 3 festzulegen, ist es notwendig, den effektiven Widerstand und die Induktanz der Primär- und der Sekundärspule sowie den für diese Spulen geltenden gegenseitigen Induktionskoeffizienten zu bestimmen. Man berechnet auf Grund der einzelnen technischen Daten des Motors die Induktanz der Wicklung des Ständers und mißt ihren effektiven" Widerstand. Dadurch, daß man die erhaltenen. Werte durch den Koeffizienten k dividiert, ergeben- sich die elektrischen Kennzeichen der Primärwicklung des Schaltgebildes nach Abb. 3. und man berechnet nach üblichem Verfahren als Funktion der Charakteristiken des schon bestimmten magnetischen Kreises die Wicklungseinzelheiten seiner Primärspuk.- -

Für die kurzgeschlossenen Sekundärspulen werden die Ausführungseinzelheiten durch Versuch ermittelt und festgelegt. Man geht dabei von der durch die Erfahrung bestätigten Annahme aus, daß der Motor hinsichtlich seiner scheinbaren Impedanz praktisch sich als ein einfacher Transformator mit kurzgeschlossener Sekundärspule darstellt, und berechnet nach dem bekannten Verfahren den Scheinwiderstand dieses Transformators als Funktion der Frequenz. Man mißt den Scheinwiderstand des Motors bei mehreren Frequenzen mit einer ziemlich geringen Stromstärke, damit die durch das Eisen bedingten Abweichungen der Linearität vernachlässigt werden können, und berechnet den effektiven Widerstand und die Induktanz der Sekundärwicklung des Transformators sowie den Koeffizienten der gegenseitigen Induktion zwischen Sekundär- und Primärwicklung, wodurch es unter Berücksichtigung der elektrischen Größen der Primärwicklung, die man schon kennt, möglich wird, die Widerstandsmeßwerte zu gewinnen. Nach Division dieser Werte durch den Koeffizienten k erhält man wie bei der in gebräuchlichem Verfahren bestimmten Primärwicklung die Wicklungseinzelheiten für die Ausführung der Sekundärspule.

Es kann vorkommen, daß die Bestimmung der Ausführungseinzelheiten der Wicklungen bei der willkürlichen für die Bildung des magnetischen Kreises gewählten Form der für diesen benutzten Bleche Schwierigkeiten z. B. hinsichtlich der Erzielung des notwendigen Koeffizienten der gegenseitigen Induktion begegnet. Man braucht dann nur den magnetischen Kreis zu ändern, von dem man lediglich den Kraftfluß und den Luftspalt bestimmt hat, indem man beispielsweise die Breite der L-förmig gestanzten Bleche anders wählt und gleichzeitig die Dicke der Blechpakete zur Aufrechterhaltung des Kraftflusses vergrößert oder verkleinert.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektronische Nachregulierschaltung, bei der ein Zweiphasenmotor durch eine als Fehlerermittler wirksame Röhrenschaltung über eine Röhren-

verstärkerschaltung mit Gegenrückkopplung gespeist wird und mit seinem Drehmoment auf den Fehlerermittler zurückwirkt und im Gegenkopplungskreis eine Wheatstonesche Brücke mit beliebig gewähltem Verhältnis der Zweige und mit Anschluß der einen Diagonale an die Ausgangsseite und der anderen Diagonale an einen Zwischenpunkt der Röhrenverstärkerschaltung liegt und außerdem von zwei Zweigen dieser Brücke der eine den Zweiphasenmotor und der andere ein den Scheinwiderstand des Motors im angenommenen Verhältnis dieser Zweige wiedergebendes, den elektrischen Gleichgewichtszustand der Brücke herstellendes Schaltgebilde enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ausgleichsschaltgebilde (113) einen Kreis (304) aus ferromagnetischem Werkstoff aufweist und an seinen Klemmen (301, 301') einen nichtlinearen Scheinwiderstand als Funktion der Stärke des durchgehenden Stromes zeigt sowie in dem gewählten Verhältnis den nichtlinearen Scheinwiderstand des Motors (107) darstellt (Abb. 1 und 3).

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichsschaltgebilde (113) einen mit Luftspalt (305, 305') versehenen magne-

tischen Kreis (304) aus ferromagnetischen Blechen von einer dem magnetischen Kreis des Zweiphasenmotors (107) gleichen oder ungefähr gleichen Beschaffenheit enthält, dessen Gesamtkraftfluß zum magnetischen Kraftfluß des Motors (107) in einem der Verhältniszahl der Brücke (106) gleichen Verhältnis steht und bei dem das Verhältnis der Luftspaltbreite (305, 305') zu seiner Gesamtlänge gleich dem Verhältnis der entsprechenden Größen des magnetischen Kreises des Motors (107) ist, während zwei Wicklungen, von denen die eine (303) kurzgeschlossen und die andere (302) an die Wheatstonesche Brücke (106) angeschlossen ist, von dem magnetischen Kreis (304) durchsetzt sind (Abb. 1 und 3).

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zweige der Wheatstoneschen Brücke (106) gleich der Einheit ist und das Ausgleichsschaltgebilde (113) aus einem dem Zweiphasenmotor (107) gleichen elektrischen Motor (202, 203, 205) mit stillgesetztem Läufer (205) besteht (Abb. 1 und 2).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 977 875.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 658/319 10.58-