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Antriebseinrichtung mit einer konstanten Ausgangsdrehzahl bei wechselnder
Eingangsdrehzahl, vorzugsweise für einen Wechselstromgenerator mit konstanter Frequenz
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebseinrichtung mit einer konstanten Ausgangsdrehzahl
bei wechselnder Eingangsdrehzahl, vorzugsweise für einen Wechselstromgenerator mit
konstanter Frequenz, deren Eingangswelle mit der Ausgangswelle über ein zwei Eingänge
aufweisendes Differentialgetriebe verbunden ist, wobei der erste Eingang mit der
mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen Eingangswelle und der zweite Eingang mit
der Welle einer Gleichstrommaschine verbunden ist, deren Drehzahl derart gesteuert
wird, daß die Ausgangsdrehzahl der Antriebseinrichtung konstant bleibt.
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Antriebseinrichtungen mit konstanter Ausgangsdrehzahl bei veränderlicher
Eingangsdrehzahl sind z. B. als hydraulische Getriebe bekannt, deren Aufbau verhältnismäßig
verwickelt und aufwendig ist und die auch eine komplizierte Steuerung verlangen.
Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Regelung der Ausgangsfrequenz eines Generators
bekannt, bei welcher der Generator von einem Motor über ein Differentialgetriebe
angetrieben wird, dessen Ausgangsdrehzahl von einem Gleichstrom-Steuermotor beeinflußt
wird, welcher von der Differenz der Frequenz des den Generator-Antriebsmotor speisenden
Wechselstromnetzes und der Frequenz des anzutreibenden Generators gesteuert wird.
Eine solche Einrichtung benötigt ein Wechselstromnetz und einen mit der Frequenz
dieses Netzes synchron umlaufenden Motor, welcher kostspielig und verhältnismäßig
empfindlich ist. Außerdem ist eine verhältnismäßig sehr aufwendige Steuervorrichtung
erforderlich, welche leicht zu Störungen Anlaß geben kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung
der genannten Art zu schaffen, mit welcher eine außerordentlich genaue Konstanthaltung
der Ausgangsdrehzahl trotz veränderlicher Eingangsdrehzahl möglich ist und bei welcher
die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden sind. Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleichstrommaschine mit einer zweiten, von der Ausgangsdrehzahl,
z. B. von einer Ausgangsgröße eines Wechselstromgenerators, beeinflußten Gleichstrommaschine
elektrisch verbunden ist, deren Welle mit der mit veränderlicher Drehzahl angetriebenen
Eingangswelle der Antriebseinrichtung mechanisch verbunden ist. Die erfindungsgemäße
Einrichtung ist unabhängig von einem Wechselstromnetz, kann also beliebig eingesetzt
werden, und sie erfordert nur zwei einfache und unempfindliche Gleichstrommaschinen.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Erzeugung
einer konstanten Drehzahl; Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Einrichtung nach der
Erfindung; Fig. 3 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer dynamoelektrischen
Maschine, die eine Ausführung der Erfindung darstellt; Fig.4 ist eine Kurve, die
die Geschwindigkeitscharakteristik der Einrichtung darstellt; Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit
von der elektrischen Größe in Abhängigkeit von der Eingangsdrehzahl; Fig. 6 zeigt
eine Abwandlung der Fig. 3.
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In Fig. 1 ist die Einrichtung allgemein mit 5 bezeichnet. Sie enthält
eine erste Gleichstrommaschine 6, eine zweite Gleichstrommaschine 7, ein Getriebe
8 und einen Wechselstromgenerator 9, der in ein Gehäuse 10 eingeschlossen ist. Die
Gleichstrommaschine 6 hat eine Erregerwicklung 11, die von dem Gehäuse 10 getragen
wird, und einen Anker 12, der auf der Eingangswelle 13 befestigt ist. Die Eingangswelle
wird von irgendeinem nicht dargestellten Antrieb mit veränderlicher Drehzahl angetrieben.
Die Maschine 7 hat eine Erregerwicklung 14, die von dem Gehäuse
10 getragen wird, und einen Anker 15, der auf der Welle 13 durch Kugellager
16 drehbar gelagert ist. Ein Planetenradträger
17 des Getriebes
8 ist mit dem Anker 15 der Maschine 7 drehfest verbunden. Auf dem Planetenradträger
17 sind Zahnräder 18 und 19 angeordnet. Das Zahnrad 18 steht mit dem Zahnrad 20
in Verbindung, das mit der Welle 13 drehfest verbunden ist. Das Zahnrad
19 greift in ein Zahnrad 21 ein, daß mit einer Ausgangswelle 22 verbunden
ist, die den Rotor 23 eines Generators 9 treibt. Die Erregerwicklung
11 der Maschine 6 wird durch eine elektrische Größe erregt, die von der Abweichung
von einer vorgegebenen Sollfrequenz abhängt, durch einen Frequenzregler 24 (Fig.
2), der mit dem Ausgang des Generators 9 verbunden ist. Die Erregerwicklung 14 der
Maschine 7 wird konstant erregt. Die Anker 12 und 15 sind durch die Leiter 25 und
26 parallel geschaltet. Die Erregung und die Spannungsregelung für den Generator
9 können in üblicher Weise erfolgen. Ebenso wie die beiden Anker sind die Wendepol-
und die Kompensationswicklungen beider Maschinen 6 und 7 elektrisch parallel geschaltet,
mit anderen Worten sind die Verbindungen die gleichen wie bei zwei parallel arbeitenden
Gleichstromgeneratoren, wobei die sie verbindenden Leitungen geringen Widerstand
haben.
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In Fig. 3 ist der Konstantfrequenzgenerator mit 5 bezeichnet. Er enthält
eine erste Gleichstrommaschine 6, eine zweite Gleichstrommaschine 7, ein Zahnrädergetriebe
8 und einen Wechselstromgenerator 9, der von einem Gehäuse 10 umgeben ist.
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Die Maschine 6 hat eine Nebenschlußwicklung 11 und Wendepol- und Kompensationswicklungen
30, die um Polschuhe 31 gewickelt sind. Die Polschuhe 31 sind an dem Gehäuse 10
durch Schrauben 32 oder in irgendeiner üblichen Weise befestigt. Der Anker der Maschine
6 enthält Ankerwicklungen 12a und einen Kommutator 12b und ist mit der Eingangswelle
13 drehfest verbunden. Die elektrische Verbindung mit dem Kommutator erfolgt durch
Bürsten 33.
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Ein Ende der Welle 13 ist in dem Gehäuse 10 durch ein Kugellager 34
gelagert. Die Welle 13 hat einen im Durchmesser verringerten Teil, der sich durch
eine Welle 35 erstreckt und auf dieser durch Kugellager 16 und 16a drehbar gelagert
ist. Die Welle 35 ist in dem Gehäuse 10 durch ein Kugellager 36 abgestützt.
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Der Anker 15 mit Ankerwindungen 15a und einem Kommutator 15b
der Maschine 7 ist mit der Welle 35 drehfest verbunden. Die Maschine 7 hat eine
Nebenschlußwicklung 14 und Wendepol- und Kompensationswindungen 37, die um
die Polschuhe 38 gewickelt sind. Die Polschuhe 38 sind mit dem Gehäuse
10 durch Schrauben 32 verbunden. Die elektrische Verbindung mit dem Anker
15 erfolgt durch Bürsten 39.
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Das andere Ende der Welle 13 trägt ein Sonnenrad 20, das durch Federn
oder in sonst irgendeiner üblichen Weise gegen Verdrehen gesichert ist. Das Zahnrad
20 greift in die Verzahnung 18 des Doppelzahnrades 18/19 ein,
das auf dem Planetenträger 17 mittels Welle 40 und Kugellager 41 gelagert
ist. Der Planetenträger 17 ist auf der Welle 35 drehfest gelagert. Die Verzahnung
19 des Doppelzahnrades 18/19 greift in das Zahnrad 21 ein, das auf
der Welle 22 drehfest angeordnet ist. Für das Zahnradgetriebe 8 ist ein Gehäuse
42 (vorgesehen. Ein Rohranschluß 43 dient für die Zuführung von Kühlluft
zu den Zahnrädern und den elektrischen Einrichtungen. Der Rotor des Wechselstromgenerators
9 ist auf der Welle 22 befestigt.
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Zum besseren Verständnis wird auf die Darstellung der Fig. 2 hingewiesen,
in der die gestrichelten Linien eine mechanische und die ausgezogenen Linien eine
elektrische Verbindung darstellen.
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Da der Antrieb veränderliche Drehzahl hat, kann er nicht direkt mit
der Ausgangswelle verbunden werden, um so eine konstante Ausgangsdrehzahl zu erzeugen,
sondern - die Verbindung muß durch ein steuerbares Differentialgetriebe erfolgen.
Eine zweite Eingangswelle, die von der Maschine 7 getrieben wird, ist vorgesehen
und treibt den Planetenträger des Zahnradgetriebes. Der Wechselstromgenerator, der
mit dem Ausgang des Differentialgetriebes gekuppelt ist, hat eine Drehzahl, deren
Verhältnis zu den Drehzahlen der beiden Eingänge des Differentialgetriebes durch
folgende Formel ausgedrückt wird:
Darin bedeutet: So = Differentialgetriebe-Ausgangsdrehzahl oder Generatordrehzahl,
SA = Drehzahl der Haupteingangswelle, SB = Drehzahl der zweiten Eingangswelle,
R = ein Übersetzungsverhältnis SolSA bei stehender Maschine 7.
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Das Übersetzungsverhältnis ist so gewählt, daß an einem Punkt in der
Nähe der Mitte des Drehzahlbereiches der Haupteingangswelle der Wechselstromgenerator
bei stehender zweiter Eingangswelle mit der erforderlichen Ausgangsgeschwindigkeit
angetrieben wird. Wenn die Drehzahl der Haupteingangswelle unter diesen Schnittpunkt
abfällt, kann die Ausgangsdrehzahl konstant gehalten werden, indem man die zweite
Eingangswelle in einer Richtung antreibt, die die Wirkung der Haupteingangswelle
vergrößert. Umgekehrt, wenn die Geschwindigkeit der Haupteingangswelle über den
Schnittpunkt ansteigt, muß die zweite Eingangswelle ihre Drehrichtung ändern, um
die Ausgangswelle auf der geforderten Drehzahl zu halten. Die obengenannte Wirkung
wird erreicht mit Hilfe der beiden Gleichstrommaschinen 6 und 7. Die Maschine 6
ist direkt mit der Haupteingangswelle gekuppelt und ist mit der Maschine 7 parallel
geschaltet, die direkt mit der zweiten Eingangswelle gekuppelt ist.
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Es bestehen somit zwei Kraftwege zwischen der Haupteingangswelle und
der Ausgangswelle: 1. Mechanische Kupplung durch das Differentialgetriebe. Dieser
Weg trägt den größten Anteil der Last.
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2. Mechanisch-elektrische Umwandlung in der Maschine 6, elektrisch-mechanische
Umwandlung in der Maschine 7 und mechanische Kupplung durch das Differentialgetriebe.
Dieser Weg wird gesteuert, um die Ausgangsdrehzahl konstant zu halten.
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Wenn die Drehzahl der Haupteingangswelle von einem niedrigen Wert
über einen Zwischenwert zu einem hohen Wert ansteigt, wechselt die Drehzahl der
Maschine 7 selbsttätig von einem hohen Wert in eine Richtung über Null zu einem
hohen Wert in der entgegengesetzten Richtung. Die Drehzahlcharakteristiken sind
durch die Kurven in der Fig. 4 dargestellt.
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In einem Differentialgetriebe stehen die Eingangs-und Ausgangsdrehmomente
jeweils in einem konstanten Verhältnis zueinander, wobei die Konstanten durch die
Übersetzungsverhältnisse gegeben sind. Das gezeigte Getriebe hat zwei Eingänge und
einen Ausgang. Wie groß immer die Drehzahlen der einzelnen Wellen sein mögen, die
drei Wellendrehmomente
unterscheiden sich stets durch konstante
Faktoren. Da die Drehzahl des Wechselstromgenerators mit Hilfe des Reglers konstant
gehalten ist, ist sein Wellendrehmoment ausschließlich abhängig von seiner elektrischen
Leistung und wirkt stets in einer Richtung. Infolgedessen muß bei einer bestimmten
Generatorleistung das Drehmoment beider Eingangswellen des Differentialgetriebes
auf einer konstanten Größe bleiben und bei allen Wellendrehzahlen in die gleiche
Richtung wirken. Wenn die Maschine 7 ihre Drehrichtung umkehrt, weil die Drehzahl
der Haupteingangswelle den Schnittpunkt überschreitet, ist ersichtlich, daß die
Maschine 7 als Motor arbeitet, wenn SA niedrig ist, und als eine dynamische Bremse,
wenn SA
hoch ist.
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Die Maschine 7 ist vollständig kompensiert und hat eine konstante
Felderregung. Sie erzeugt deshalb ein konstantes Drehmoment, unabhängig von der
Drehzahl, vorausgesetzt, daß ihr Ankerstrom konstant gehalten wird. Die Anker der
Maschinen 6 und 7 sind direkt miteinander verbunden, infolgedessen wird der gemeinsame
Ankerstrom durch den Widerstand der beiden Anker durch die Differenz zwischen den
in den beiden Ankern erzeugten Spannungen getrieben, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.
Für einen konstanten Ankerstrom ist diese Differenz konstant gehalten und ist proportional
dem Strom und dem Ankerwiderstand.
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Da die Felderregung der Maschine 7 konstant ist, ist die EMK der Maschine
7 direkt proportional SB.
Deshalb muß die Felderregung der Maschine 6 auf
irgendeinen Wert von SA eingestellt werden, um eine ausreichende EMK zu bewirken,
die den erforderlichen Strom bei dem in Betracht kommenden Drehmoment durch den
Ankerkreis treibt. Das Feld der Maschine 6 wird durch Regelkreise erregt, die selbsttätig
die notwendige EMK bewirken.
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Die Fig. 6 zeigt eine Abwandlung, bei welcher das vorbeschriebene
Getriebe 8 durch ein anderes Getriebe ersetzt ist. Diese Einrichtung kann
im umgekehrten Sinne als ein Wechselstrommotor für das Anlassen einer Düsenmaschine
verwendet werden. Zu dem Sonnenrad 20 ist ein Sonnenrad 20a hinzugefügt, das in
ein Planetenrad 18a eingreift. Die Sonnenräder 20 und 20 a sind mit
der Welle 13 durch Überholkupplungen 51 und 52 verbunden. Die
Kupplung 51
ermöglicht die Übertragung eines Drehmomentes in einer Richtung,
um die Wechselstrommaschine in der richtigen Drehrichtung anzutreiben, während die
Kupplung 52 die Übertragung eines Drehmomentes in umgekehrter Richtung ermöglicht.
Somit kann die Einrichtung zum Anlassen verwendet werden, wenn die Wechselstrommaschine
von einer Wechselstromquelle gespeist wird und als Synchronmotor wirkt. In diesem
Falle ist die Erregung des Feldes der Maschine 7 (Fig. 1 und 2) veränderlich. Durch
entsprechende Beobachtung und Steuerung kann die Belastung des Wechselstrommotors
während der Anlaßzeit konstant gehalten werden.