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Anordnung zur Messung von Drehzahlen und Geschwindigkeiten bzw. Drehzahl-und
Geschwindigkeitsverhältnissen von motorisch angetriebenen Teilen Zur Drehzahlregelung
von motorisch angetriebenen Teilen auf konstante Drehzahl- oder Geschwindigkeitsverhältnisse,
insbesondere für Mehrmotorenantriebe, sind bereits sogenannte analoge und digitale
Drehzahlmeßverfahren vorgeschlagen worden. Bei den digitalen Verfahren werden die
zu messenden oder auf bestimmte Drehzahlen zu regelnden Wellen mit Impulsgebem gekuppelt,
die pro Umdrehung eine bestimmte Anzahl von Impulsen abgeben. Diese werden z. B.
in einem vorgegebenen Zeitintervall gezählt, wobei das auf diese Zeitspanne bezogene
Zählergebnis dem Mittelwert der Drehzahl proportional ist. Da die Zählung um mindestens
einen Impuls falsch sein kann, ist die Genauigkeit der Messung bei gegebener Meßzeit
um so größer, je mehr Impulse in dieser Zeit abgegeben werden, d. h. je mehr Impulse
bei einer Umdrehung erzeugt werden, je höher also die Frequenz bei gegebener Drehzahl
ist. Die mit einem Impulsgeber pro Umdrehung erzeugbare Impulszahl hängt fast ausschließlich
von der Baugröße des Impulsgenerators ab. Da die Impulsgeber meist eine vorgegebene
Größe nicht überschreiten dürfen, sind der mit den bekannten Impulsgebern erreichbaren
Frequenz durch die noch anbringbaren oder lesbaren Abstände bei der Markierung des
Umfanges technische Grenzen gesetzt.
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Es sind auch Frequenzvervielfacher bekannt, bei denen die Frequenzvervielfachung
mit Hilfe sinusförmiger Impulsspannungen an gekrümmten Kennlinien vorgenommen wird,
wobei die Oberwellen mit Hilfe von Filtern ausgesiebt werden. Da beispielsweise
bei Mehrmotorenantrieben die Drehzahlen und damit die Frequenzen meist in weitem
Bereich veränderlich sind, müssen die Grenzfrequenzen der Filter mit den Grundfrequenzen
verschoben werden, um eindeutige Meßergebnisse zu gewährleisten. Schaltungsanordnungen
zur Durchführung derartiger Maßnahmen sind sehr aufwendig und kompliziert.
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Ferner sind Verfahren und Anordnungen bekannt, um eine konstante
niedrige Frequenz in eine beliebig höhere Vielfache der Grundfrequenz umzuwandeln,
insbesondere zum Zwecke der Steuerung von Stromrichtergefäßen. Hierbei werden einzelne
charakteristische Punkte der Kurvenform der elektrischen Größe zur Vervielfachung
der Grundfrequenz herangezogen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung von Drehzahlen
und Geschwindigkeiten bzw. Drehzahl- und Geschwindigkeitsverhältnissen von motorisch
angetriebenen Teilen durch Zählung der von Gebermaschinen abgegebenen Impulse und
Auswertung der Verhältnisse und deren Integral-
werten. Sie ist gekennzeichnet durch
die Verwendung ein- oder mehrphasiger Wechselstromgebermaschinen als Impulsgeber
in Verbindung mit Anordnungen zur Erzeugung nadelförmiger Zählimpulse aus der Wechselstromgröße
mit gegenüber der Grundwelle vervielfachter Frequenz. Hierbei werden in an sich
bekannter Weise einzelne charakteristische Punkte der von den Wechselstrommaschinen
abgegebenen Spannung zur Vervielfachung der Impulsfrequenz herangezogen. Als charakteristische
Punkte werden vorzugsweise die steilen Nulldurchgänge der Spannungen oder Ströme
herangezogen. Die Vervielfachung kann auch dadurch erreicht werden, daß von der
elektrischen Wechselstromgröße annähernd sinusförmige, in der Frequenz übereinstimmende,
dieser gegenüber jedoch um einen bestimmten Phasenwinkel verschobene Spannungen
oder Ströme erzeugt werden, wobei die Nulldurchgänge der elektrischen Größe sowie
dieser Hilfsspannungen oder Ströme als charakteristische Punkte zur Impulsgabe ausgewertet
werden.
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Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, wenn nur eine einphasige
Wechselspannung zur Verfügung steht. Man kann auf diese Weise die achtfache Impulsfrequenz
aus der Grundfrequenz erzielen. An Stelle der Erzeugung von phasenverschobenen sinusförmigen
Hilfsspannungen oder Hilfsströmen aus der Grundwelle können auch mehrphasige Drehzahlgeber
verwendet werden, wobei durch Summen- und Differenzbildung der Phasenspannungen
oder -ströme zusätzliche Nulldurchgänge gewonnen werden können.
Auf
diese Weise kann beispielsweise bei einem dreiphasigen Drehzahlschieber die zwölffache
Impulsfrequenz erzeugt werden.
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Die Erzeugung der Impulse aus den in der zuvor beschriebenen Weise
gewonnenen sinusförmigen Ströme men und Spannungen kann mit Hilfe von bereits für
andere Zwecke bekanntgewordenen Begrenzerschaltungen erfolgen. Besonders vorteilhaft
sind Anordnungen mit Dioden oder gesättigten Drosseln, wobei in der Sekundärwicklung
des Transformators beim Durchgang des Primärstromes durch den begrenzten Bereich
nadelförmige Impulse induziert werden. Diese werden anschließend gleichgerichtet,
falls die Zähleinrichtung dies erfordert. Man erhält auf diese Weise eine Unterteilung
der Frequenz, also eine gegenüber der Grundfrequenz vervielfachte Anzahl von Impulsen.
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Solche Begrenzerschaltungen sind bei gittergesteuerten Stromrichtern
bekanntgeworden zur Erzeugung von nadelförmigen Steuerimpulsen, wobei jedoch nicht
die Frequenz vervielfacht wird, sondern es kommt dort auf die genaue Phasenlage
der Impulse in bezug auf die feste Grundfrequenz des Stromrichters an, um verschiedene
Grade der Aussteuerung des Stromrichters zu erreichen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung,
in der mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt
sind, an Hand deren die Erfindung näher erläutert werden soll.
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In Fig. 1 ist eine grundsätzliche Schaltungsanordnung zur Erzeugung
nadelförmiger Impulse aus einer sinusförmigen oder annähernd sinusförmigen Spannung
mit Hilfe eines gesättigten Übertragers dargestellt. Der Einfachheit halber sei
angenommen, daß der Impulsgenerator eine sinusförmige Spannung abgibt. Die von der
Wechselstrommaschine 1 abgegebene Spannung U1 speist über einen Strombegrenzungswiderstand
2 die Primärwicklung eines gesättigten Übertragers 3. In Fig. la ist die Charakteristik
di = f (I) eines für den genannten Zweck geeigneten Übertragers dargestellt. Fig.
ob zeigt den Sinusverlauf der von der Wechselstrommaschine abgegebenen Spannung
UX und den Verlauf des durch diese Spannung bzw. Stromes hervorgerufenen magnetischen
Flusses dis über der Zeit. In der Sekundärwicklung des tSbertragers werden beim
Durchgang des Primärstromes durch den begrenzten Bereich nadelförmige Impulsspannungen
U2 gemäß Fig. lc induziert. Diese Impulsspannungen werden mit Hilfe einer Gleichrichterschaltung
4 gleichgerichtet, so daß an dem Widerstand 5 gleichgerichtete Spannungsimpulse
U3 gemäß Fig. led abgenommen werden können.
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Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechende Anordnung zur Erzeugung
nadelförmiger Impulse, wobei jedoch an Stelle eines Übertragers Dioden 6, 7 verwendet
sind. Zur Begrenzung werden hierbei die Schwellwerte der Dioden herangezogen. Gleiche
Teile sind wiederum mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 versehen. Die von der
Wechselstrommaschine 1 abgegebene Spannung Ut wird über Begrenzerwiderstände 8,
9 an die Primärwicklung eines in diesem Fall nicht gesättigten Übertragers 10 gelegt.
Parallel zur Primärwicklung des Übertragers bzw. zur Wechselstrommaschine sind die
Dioden 6,7 mit entgegengesetzter Sperrwirkung geschaltet. In Fig. 2 a ist die Abhängigkeit
des Primärstromes 11
von der Spannung U, auf Grund der Einschaltung der Dioden 6,
7 gezeigt. In Fig. 2 b ist mit einer voll ausgezogenen Linie der Sinusverlauf der
Spannung U und mit einer gestrichelten Linie der Verlauf des durch die Spannung
hervorgerufenen Stromes 1l dargestellt. An der Sekundärwicklung des Übertragers
10 werden sodann entsprechend den Stromänderungen in der Primärwicklung Impulsspannungen
U2 erzeugt (Fig. 2c). In Fig. 2 d sind die nach Gleichrichtung am Widerstand 5 abgenommenen
Spannungsimpulse U3 dargestellt.
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Mit den in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen kann also eine
Verdopplung der Grundfrequenz erreicht werden.
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Fig. 3 gibt eine Schaltungsanordnung wieder, bei der mit Hilfe gesättigter
Übertrager und zweier einphasiger Wechselstrommaschinen eine Vervielfachung um den
achtfachen Betrag der Grundfrequenz erzielt werden kann. Mit 11 und 12 sind die
beiden Wechselstrommaschinen zur Erzeugung sinusförmiger Spannung Ul und U2 bezeichnet,
welche in fester räumlicher Zuordnung eine Phasenverschiebung von 900 el. aufweisen.
Während die gesättigten Übertrager 13 und 14 nur mit einer Primärwicklung ausgestattet
sind, weisen die Übertrager 15 und 16 je zwei Primärwicklungen auf. Mit Hilfe dieser
Wicklungen wird zusätzlich die geometrische Summe und Differenz U1 - U2 bzw. Tut
+ U2 der von den Wechselstrommaschinen abgegebenen Spannungen gebildet. In Fig.
3 a sind die entsprechenden Spannungsvektoren und in Fig.3b der Sinusverlauf der
Spannungen U1, U und - U2. dargestellt. Die einzelnen Nulldurchgänge der Phasenspannungen
sind hierbei mit Punkten bezeichnet, während mit Kreuzen die Stellen bezeichnet
sind, die bei Summen- bzw.
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Differenzbildung der Phasenspannungen zu Nulldurchgängen werden. Die
Sekundärwicklungen der Übertrager 13 bis 16 sind in Reihe geschaltet, so daß nach
Gleichrichtung der in den Sekundärwicklungen der Übertrager induzierten Spannungen
am Widerstand 18 die Impulsspannungen U8 abgenommen werden können. In Fig. 3 c sind
die auf diese Weise gewonnenen Impuls spannungen schematisch dargestellt, wobei
die Punkte und Kreuze die der Fig. 3 b entsprechenden Nulldurchgänge verdeutlichen.
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Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bildung der zwölffachen
Grundfrequenz mit Hilfe eines dreiphasigen Wechselstromgebers 19 und gesättigter
Übertrager 20 bis 25. Während den Übertragern 20, 22, 24 die Phasenspannungen Ul,
U2, U8 zugeführt werden, werden die Übertrager 21, 23, 25 von den verketteten Phasenspannungen
Ul - U2, U2U3 bzw.
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U3- U1 gespeist. Mit R sind Begrenzungswiderstände bezeichnet. Die
Sekundärwicklungen der Übertrager 20 bis 25 sind wiederum in Reihe geschaltet, so
daß nach Gleichrichtung mit Hilfe einer Gleichrichteranordnung 26 an dem Widerstand
27 die gleichgerichteten Spannungsimpulse Ua abgenommen werden können. In Fig. 4
a sind die Spannungsvektoren der Phasen- und verketteten Phasenspannungen wiedergegeben.
Fig. 4 b zeigt den Kurvenverlauf der Phasenspannungen, wobei die Nulldurchgänge
der Phasen spannungen mit Punkten und die Nulldurchgänge der verketteten Phasenspannung
mit Kreuzen angedeutet sind. Fig. 4c zeigt die an den Nulldurchgängen gewonnenen
Impulsspannungen in schematischer Darstellung.
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Eine weitere Vervielfachung um den Faktor 2 ist möglich durch Kombination
z. B. von Ut und (U2 - U3) nach Art von Fig. 3, wobei die Beträge von U, und (U2
- U3) gleichgemacht werden müssen.
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Die Vervielfachung ist begrenzt durch die Auflösung der gebildeten
Impulse. Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaltungen zur Vervielfachung der
Impulsfrequenz sind innerhalb des Übertragungsbereiches der Übertrager völlig frequenz-
bzw. drehzahlunabhängig.
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Fig. 5 gibt eine Anordnung wieder, mit der eine Vervielfachung der
Grundfrequenz um das Achtfache bei Verwendung nur einer einfachen einphasigen Wechselstrommaschine
erzeugt werden kann. Mit 28 ist die Wechselstrommaschine bezeichnet, deren Spannung
U1 der Primärwicklung eines gesättigten Übertragers 29 zugeführt wird. Mit Hilfe
einer ungesättigten Drosselspule 30 wird eine gegenüber der Grundwelle nahezu um
900 phasenverschobene Hilfsspannung j Ut erzeugt, die ebenfalls einem gesättigten
Übertrager 31 zugeführt wird. Durch die Reihenschaltung der Sekundärschaltungen
der Übertrager 29 bis 31 kann somit durch die Nulldurchgänge von und jU, eine Vervielfachung
mit dem Faktor 4fO, wobei fO die Grundfrequenz bedeutet, erreicht werden, da j Ut
frequenzabhängig nicht die gleiche Amplitude behält wie U,, ist hier die Ausnutzung
der Differenz- und Summenbildung nicht möglich.
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Ein weiterer Faktor 2 J0 kann aber dadurch erreicht werden, daß eine
der beiden Spannungen gleichgerichtet und im Betrag so verschoben wird, daß die
Spannungen bzw. Ströme bei einem Winkel von 450 el. durch Null gehen. Hierbei muß
jedoch die Flankensteilheit zur Impulserzeugung noch ausreichend sein. Dies kann
in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß gemäß Fig.S mit Hilfe einer Drossel 32
eine weitere Hilfsspannung aus der ursprünglichen Spannung gebildet wird, die gleichphasig
mit jUX ist.
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Diese Hilfsspannung wird mit Hilfe einer Gleichrichteranordnung 33
gleichgerichtet und sodann mit Hilfe eines Kondensators C der Mittelwert dieser
Spannung gebildet. Mit Hilfe eines Übertragers 34 wird diese Spannung in den Stromkreis
der sekundärseitig verbundenen Übertrager zur Impulsbildung eingeblendet.
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In Fig. 5a sind die um 900 phasenverschobenen Spannungen U, und jU,
dargestellt. Die Nulldurchgänge dieser Spannungen sind wiederum mit Punkten bezeichnet.
Durch Gleichrichtung der Hilfsspannung erhält man den Kurvenverlauf jUl gemäß Fig.
Sb.
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Durch die Überlagerung dieser Hilfsspannung mit einer Gleichspannung
entsprechend dem Mittelwert dieser Hilfsspannung wird die Nullinie von 0 nach 0'
verschoben, so daß sich mit der so gewonnenen neuen Nullinie weitere Nulldurchgänge
ergeben.
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Diese sind in Fig. Sb mit Kreuzen bezeichnet. Nach Summierung sämtlicher
Spannungsimpulse in dem Sekundärstromkreis der Übertrager erhält man die in Fig.
5c schematisch dargestellte Anzahl von Spannungsimpulsen. Hierbei sind die an den
Nulldurchgängen der phasenverschobenen Spannungen gewonnenen Impulsspannungen mit
Punkten und die an den Nulldurchgängen der gleichstromüberlagerten Hilfsspannung
erzeugten Spannungsimpulse mit Kreuzen bezeichnet. Die Größe der Gleichspannung
wird hierbei so gewählt, daß die Nulldurchgänge der phasenverschobenen Hilfsspannungen
praktisch gleiche Abstände voneinander haben.
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Fig. 5 d gibt eine abgewandelte Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5
wieder, bei der der aus der gleichen Spannung erzeugte geglättete Gleichstrom mit
Hilfe eines Übertragers 34' in der richtigen Größe der Hilfsspannung überlagert
wird. Wegen der frequenzabhängigen Drosseln L sind die Schaltungen nach Fig. 5 nur
in einem durch die Schaltelemente gegebenen Frequenzbereich richtig wirksam. Die
nach Fig. 5 b gebildeten Spannungen bzw. Ströme bleiben dabei unabhängig von der
Drehzahl konstant, da mit dieser sowohl die Frequenz als auch die Wechselspannungen
zunehmen.
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Insbesondere die Schaltungen nach Fig. 1 bis 4 können auch dann verwendet
werden, wenn die von den Drehzahlmotoren abgegebenen Spannungen keinen reinen sinusförmigen
Verlauf aufweisen, z. B. bei Verwendung von Spannungen mit trapez- oder dreieckförmigem
Kurvenverlauf.