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Einrichtung zur Abgabe einer nach Größe und Richtung veränderlichen
Spannung bzw. eines entsprechenden Stromes Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
zur Abgabe einer nach Größe und Richtung veränderlichen Spannung bzw. eines entsprechenden
Stromes. Es ist an sich z. B. bekannt, ihrer Größe nach veränderliche einphasige
Wechselspannungen mittels eines Induktionsreglers vom Aufbau eines Induktionsmotors
abzugeben. Dabei wird einer der beiden Motorteile mit einer Wechselspannung gespeist,
und von dem anderen Motorteil wird eine entsprechende induzierte Spannung abgenommen.
Bei einer relativen Verstellung von Ständer und Läufer einer solchen Anordnung kann
nun zwar z. B. eine Spannung gewonnen werden, welche in ihrer Größe und in ihrer
Richtung veränderlich ist. Wird die mittels einer solchen Anordnung gewonnene Spannung
jedoch gleichgerichtet, so muß an der gleichgerichteten Spannung eine relativ große
Welligkeit in Kauf genommen werden. Eine solche Welligkeit ist aber für viele Zwecke
unerwünscht oder nicht geeignet.
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Die Erfindung hat daher eine neuartige Lösung für eine solche Einrichtung
zur Abgabe einer nach Größe und Richtung veränderlichen Spannung zum Gegenstand,
welche sich dadurch auszeichnet, daß die Welligkeit einer solchen gleichgerichteten
Spannung auf einen Bruchteil derjenigen dieser bekannten Anordnung herabgesetzt
wird.
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Hierzu wird zur Abgabe einer nach Größe und Richtung veränderlichen
Spannung bzw. eines entsprechenden Stromes ein Induktionsregler mit induktionsmotorähnlichem
Aufbau mit relativ zueinander verstellbarem Innen- und Außenteil benutzt, wobei
erfindungsgemäß der eine der Teile des Induktionsreglers - zweckmäßig der äußere
- zwei mehrphasige, mindestens dreiphasige Wicklungen, der zweite Teil hingegen
nur eine gleichartige mehrphasige, die Einrichtung erregende Wicklung trägt, wobei
die mehrphasige Wicklung des zweiten Teils mit ihren Phasenwicklungen sowohl je
eine besondere Reihenschaltung mit den Phasenwicklungen der einen Wicklung des ersten
Induktionsreglers als auch mit den um den Phasenwinkel des mehrphasigen Systems
versetzt liegenden Phasenwicklungen der anderen Wicklung des ersten Induktionsreglerteiles
bildet und die beiden Reihenschaltungen an je eine Gleichrichterbrückenschaltung
angeschlossen sind, deren Ausgangswerte entweder spannungs- oder strommäßig zur
Lieferung des erwünschten elektrischen Ausgangswertes miteinander verglichen werden.
Werden die Wicklungen z. B. dreiphasig gewählt, so gelingt es auf diese Weise, eine
Ausgangsgleichspannung bzw. einen Ausgangsgleichstrom zu erhalten, der gegenüber
einer Welligkeit von etwa 50% bei den bekannten einphasig erregten Anordnungen nur
noch eine Welligkeit von etwa 5 % aufweist.
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Die nach dieser Darstellung erfindungsgemäß benutzte mehrphasige,
z. B. dreiphasige Erregung des Primärteiles bringt außerdem gegenüber den bekannten
Anordnungen noch den technischen Vorzug mit sich, daß, bezogen auf die gleiche Ausgangsleistung,
eine solche Anordnung mit z. B. dreiphasig erregtem Primärteil wesentlich kleinere
Abmessungen als eine Anordnung aufweist, die einphasig mit Wechselstrom in ihrem
Primärteil erregt wird.
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Zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Wicklungen,
welche auf den beiden verschiedenen Motorteilen angeordnet sind, können entweder
elektrische, über Schleifringe und Bürsten verlaufende Leitungen oder biegsame Leitungen
benutzt werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann es sich gegebenenfalls, nämlich bei der
Bildung des Ausgangswertes durch den Vergleich der Einzelausgangsströme, als zweckmäßig
erweisen, eine galvanische Trennung zwischen den beiden Gleichrichterbrückenschaltungen
auf der Wechselstromseite vorzunehmen. Zu diesem Zwecke kann mindestens eine der
beiden Gleichrichterbrückenschaltungen im Ausgang der Anordnung über einen besonderen
Zwischentransformator von der Reihenschaltung der mehrphasigen Wicklungen gespeist
werden.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
In dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bezeichnet 1 den äußeren oder z. B. Ständerteil
und 2 den inneren oder z. B. Läuferteil einer induktionsmotorähnlich aufgebauten
Anordnung. Im Ständerteil1 sind in entsprechenden Nuten die beiden dreiphasigen
Wicklungen 3 und 4 vorgesehen, deren einzelne Phasenwicklungen mit 3 a bis 3 c bzw.
4 a bis 4 c bezeichnet sind. Die Phasenwicklungen 3 a bis 3 c haben dabei in dem
Ausführungsbeispiel mit ihren Wicklungsachsen die gleiche Lage wie die Phasenwicklungen
4 a bis 4c, obgleich das nicht unbedingt in jedem Falle erforderlich ist. Der Läufer
2 trägt ebenfalls eine dreiphasige Wicklung, deren einzelne Wicklungen mit
5 a bis 5 c bezeichnet und in Stern geschaltet sind. Jede der Wicklungen
4 a bis 4 c der einen dreiphasigen Wicklung auf dem Ständer 1 ist an ihrem einen
Ende über je eine der Leitungen 6a bis 6 c mit einer der Wicklungen 5 a bis
5 c auf dem Rotor in Reihe geschaltet. Das andere Ende jeder der Wicklungen
4 a bis 4 c ist über je eine der Leitungen 15 bis 17 an eine dreiphasige
Gleichrichterbrückenschaltung 7 angeschlossen, deren Gleichstrompole mit 8 bzw.
9 bezeichnet sind. An die Verbindungsleitungen 6 a bis 6 c sind die Leitungen 10
a bis 10 c angeschlossen, welche über die Anschlüsse 11a bis 11c z. B. an ein Drehstromnetz
RST angeschlossen werden. Jede der Phasenwicklungen 3 a bis 3 c der zweiten auf
dem Ständer 1 angeordneten dreiphasigen Wicklung ist mit ihrem einen Ende über eine
der bereits genannten Verbindungsleitungen 6 a bis 6 c an eine der um 120° gegen
die genannten Phasenwicklungen versetzten Wicklungen 4 a bis 4 c angeschlossen.
Die anderen Enden dieser Phasenwicklungen 3 a bis 3 c sind über je eine der
Leitungen 18
bis 20 wieder an eine dreiphasige Brückenschaltung 12 angeschlossen,
deren GIeichstromausgangsklemmen mit 13 bzw. 14 bezeichnet sind. Einer der beiden
Motorteile 1 oder 2 ist gegenüber dem anderen Motorteil relativ verstellbar. Es
sei für die Zwecke der Erläuterung z. B., wie bereits angegeben, angenommen, daß
der äußere Motorteil 1 als Ständer feststeht und der innere Motorteil 2 diesem gegenüber
als Läufer durch Drehung verstellbar ist.
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Die Wirkungsweise einer solchen Anordnung ist die folgende: Wie bereits
aus der Fig. 1 abzulesen ist, wird die Anordnung von induktionsmotorähnlichem Aufbau
durch ihre Speisung vom Netz an den Eingangsklemmen 11 a bis 11 c über ihre aus
den Phasenwicklungen 5 a bis 5 c bestehende Rotorwicklung erregt. Das von
dieser Wicklung an der Anordnung hervorgerufene Drehfeld erzeugt in den Phasenwicklungen
3 a bis 3 c und 4 a bis 4 c des Ständers 2 entsprechende Spannungen. Deren Phasenlage
ist in bezug auf die speisenden Netzspannungen bzw. die Spannungen an den Rotorwicklungen
abhängig von der relativen Lage der Wicklungsachsen der Rotor- und Ständerwicklungen
bzw. der relativen Verstellung von Rotor und Ständer. Die Größe der im Ständer induzierten
Spannungen ist naturgemäß abhängig von der Windungszahl, die die Phasenwicklungen
des Ständers haben. Vorzugsweise wird man im Rahmen der Erfindung die Windungszahlen
im Ständer so wählen, daß die Phasenspannung einer Rotorwicklung und die Phasenspannung
einer entsprechenden Ständerwicklung möglichst gleich groß sind. Die Brückenschaltung
7 wird jeweils über die Reihenschaltung einer der Rotorwicklungen 5 a bis
5 c und einer der Ständerwicklungen 4 a bis 4 c gespeist, also mit einer
Spannung, die die geometrische Summe der Phasenspannungen dieser Wicklungen ist,
z. B. also mit einer Spannung als geometrischer Summe der Spannungen der beiden
Phasenwicklungen 5 a und 4 a. In gleichartiger Weise wird auch die Brückenschaltung
12 jeweils mit einer Spannung gespeist, die durch die Reihenschaltung einer der
Rotorwicklungen 5 a bis 5 c und einer der Ständerwicklungen 3 a bis 3 c bestimmt
ist unter Berücksichtigung der bereits angeführten Tatsache, daß jede der Ständerwicklungen
3 a bis 3 c mit einer Phasenwicklung der anderen Läuferwicklung verbunden ist, die
um 120° zueinander versetzt liegen. So liegt beispielsweise über die Leitung 18
an der Brückenschaltung 12 eine Phasenspannung, die bestimmt ist durch die vektorielle
Summe der Spannungen an der Wicklung 5 b und der Wicklung 3 a. Diese geometrische
Addition der Läufer- und Ständerwicklungen hat zur Folge, daß durch Veränderung
der relativen Lage von Rotor und Ständer und damit der Wicklungsachsen der Rotor-
und Ständerwicklungen die Größe der Phasenspannungen verändert werden kann, mit
welchen die Gleichrichterbrückenschaltungen 7 bzw. 12 gespeist werden. Durch die
Eigenart der bereits beschriebenen Schaltung wird erreicht, daß das Maximum der
Phasenspannungen an der Gleichrichterbrückenschaltung 7 und das Maximum der Phasenspannungen
an der Gleichrichterbrücke 12 um einen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Ständer
von 120 elektrischen Graden versetzt liegen. In der zeichnerischen Darstellung mit
der vereinfacht schematisch wiedergegebenen Sternschaltung ohne Rücksicht auf die
Polzahl der Wicklungen sind die 120° elektrisch gleich 120° räumlich. Als abgegebener
Ausgangswert der Anordnung, z. B. als abgegebene Spannung, wird die Differenz aus
den von den beiden einzelnen Brücken 7 bzw. 12 gelieferten einzelnen Gleichspannungen
benutzt.
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Die Bildung des Ausgangswertes der Anordnung kann an sich auf zwei
verschiedene grundsätzliche Arten erfolgen, wie sie in den entsprechenden Schaltungsbeispielen
nach den Fig. 2 und 3 veranschaulicht sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
2 ist in dem bereits angeführten Sinne ein sogenannter Spannungsvergleich benutzt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 dagegen ist ein sogenannter Stromvergleich
benutzt.
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In Anlehnung an die Fig. 1 sind in Fig. 2 für die beiden Gleichrichterbrückenschaltungen
am Ausgang der Anordnung wieder die Bezeichnungen 7 bzw. 12 gewählt worden. Die
Gleichrichterbrücke 7 speist an ihrem Ausgang einen Belastungswiderstand 21, die
Gleichrichterbrückenschaltung 12 einen Widerstand 22. Die an den beiden Widerständen
21 und 22 auftretenden Spannungen sind an den Polen 23 bzw. 24 über die Leitung
25 gegensinnig in Reihe geschaltet. An den beiden anderen Klemmen 26 bzw. 27 der
Schaltung ist der Belastungswiderstand 28 angeschlossen, an dem somit die Differenz
der beiden Einzelspannungen von 7 und 12 liegt.
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Die Wirkungsweise einer solchen Schaltungsanordnung nach Fig. 2 soll
nunmehr unter Bezugnahme auf das Kurvenschaubild nach Fig. 4 näher erläutert werden.
In dieser Darstellung sind verschiedene Spannungskurven über dem Verstellwinkel
a des Rotors 2 gegenüber dem Ständer 1 aufgetragen. Ui bezeichnet den Gleichstrommittelwert,
der am Ausgang der
Gleichrichterbrückenschaltung 12, U., den Gleichstrommittelwert,
der am Ausgang der Gleichrichterbrückenschaltung 7 jeweils abhängig vom eingestellten
Drehwinkel der Anordnung entsteht. Wie bereits früher angedeutet worden ist, liegen
die Höchstwerte der an der Gleichrichterbrückenschaltung 12 als Spannung U1 bzw.
an der Gleichrichterbrückenschaltung 7 als Spannung U, abhängig von dem Verstellwinkel
des Rotors 2 gelieferten Spannungen und sinngemäß auch die Mindestwerte um 120 elektrische
Grade bzw. in diesem Falle gleichzeitig auch um 120 räumliche Grade der Verstellung
a voneinander entfernt. Das ist auch aus der Darstellung im Kurvenschaubild nach
Fig. 4 ohne weiteres für die Kurven U1 und UL abzulesen.
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Eine solche Anordnung nach dem grundsätzlichen Schema der Fig. 1 kann
nun in zwei verschiedenen Arbeitsbereichen benutzt werden, wie sich das unmittelbar
aus der Fig.4 ablesen läßt. So kann ein Arbeitsbereich benutzt werden, der einen
Arbeitsbereich von 120 elektrischen Graden vom Winkel a = 0 aus nach der Darstellung
umfaßt. Dann liegt in der Mitte zwischen diesen beiden Winkelstellungen 0 und 120°,
also bei 60° elektrisch, diejenige Stellung, in welcher der als U1 gelieferte Spannungswert
und der als UZ gelieferte Spannungswert gleich groß sind, so daß sich am Ausgang
der Anordnung, also am Lastwiderstand 28, die Spannung Null für U' ergibt. Diese
Stellung kann also dann als Nullstellung gewählt werden, von welcher bei der Verstellung
der Anordnung zur Abgabe entsprechender Ausgangsspannungswerte U', die nach Größe
und Richtung verschieden sind, ausgegangen wird. Aus der Darstellung nach Fig. 4
ist aber außerdem abzulesen, daß eine solche Anordnung nach dem grundsätzlichen
Schema der Fig. 1 auch in einem zweiten Arbeitsbereich betrieben werden kann, der
zwischen 120° elektrisch und 360'° elektrisch nach der Darstellung liegt. Zwischen
beiden Winkelstellungen 120 und 360° sind bei 240'° die als U1 und als Uz gelieferten
Spannungswerte wieder gleich groß, so daß in diesem Falle dann die Winkelstellung
von 240° elektrisch als Ausgangsstellung verwendet werden kann, um von dieser aus
durch Verstellung des Rotors nach Größe und Richtung unterschiedliche Ausgangsspannungswerte
U" an der Anordnung abgeben zu können. Wie aus der Figur abzulesen ist, erfolgt
die Änderung des Spannungswertes U' zwischen 0 und 120° mit einer größeren Steilheit,
bezogen auf die Verstellung des Rotors, als die entsprechende Änderung der Spannung
U" abhängig vom Drehwinkel in dem zweiten Bereich von 120 bis 360°. Die Steilheit
des Spannungsanstiegs ist im erstgenannten Bereich nahezu doppelt so groß wie im
zweiten Arbeitsbereich. Der Verlauf der Spannungsänderung abhängig von der Einstellung
des Drehwinkels verläuft im ersten Bereich zwischen 0 und 120° praktisch linear,
während im zweiten Bereich die Änderung der Spannung abhängig vom Drehwinkel noch
leichte Krümmungen nach den Enden der Kurve zu aufweist. Die Wahl des jeweiligen
Arbeitsbereiches bestimmt sich durch die in der Anlage gestellten bzw. zu beherrschenden
Anforderungen.
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Wie bereits oben andeutet wurde, veranschaulicht die Fig.3 eine Anordnung,
bei welcher der Ausgangswert durch einen Vergleich der von den beiden Brückenschaltungen
7 bzw. 12 gelieferten Ströme stattfindet. Die beiden Gleichstrombrückenschaltungen
sind in Fig. 3 wieder mit 7 und 12 bezeichnet. Sie sind in diesem Falle über je
einen Transformator 29 bzw. 30 mit gegeneinander isolierten Wicklungen gespeist.
Von der Gleichrichterbrückenschaltung 7 wird ein Strom geliefert, der seinen Weg
über den Widerstand 31 und den Widerstand 32 nimmt. Die Gleichrichterbrückenschaltung
12 liefert einen Strom, der seinen Weg über den Widerstand 32 und den Widerstand
33 nimmt. Die beiden Gleichrichterbrückenschaltungen 7 und 12 sind derart
geschaltet, daß sie über den Widerstand 32 gegeneinander gerichtete Ströme liefern.
Der Widerstand 32 ist somit der Ausgangs- bzw. Verbraucherwiderstand der Schaltung.
Über ihn fließt die Differenz der von den beiden Gleichrichterschaltungen 7 und
17 gelieferten Gleichströme.
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In dieser Schaltung nach Fig. 3 sind die Transformatoren 29 und 30
mit gegeneinander isolierten Wicklungen benutzt worden, weil in dieser Schaltung
die Spannungen U1 und U" gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. Dadurch können in
den Phasenwicklungen der Anordnung unerwünschte galvanische Kopplungen auftreten,
die durch die Wahl der Isolierwandler ausgeschlossen sind. Die Wirkungsweise einer
Schaltung nach Fig. 3 läßt sich unter Benutzung eines gleichartigen Kurvenschaubildes
wie nach Fig. 4 erläutern, wenn sinngemäß über den Verstellwinkel a. des Rotors
nach elektrischen bzw. räumlichen Graden die Kurvenschaubilder für die entsprechenden
Ströme aufgetragen werden, die von den beiden Ausgängen der Gleichrichterbrückenschaltungen
7 bzw. 12 geliefert werden. Sinngemäß ergeben sich auch in diesem Falle wieder zwei
verschiedene wählbare Arbeitsbereiche an der Anordnung, wovon der eine sich über
einen Verstellbereich von 120° elektrisch bzw. 240=' elektrisch des Rotors und einen
entsprechenden, durch die Polzahl der Wicklungen bestimmten räumlichen Verstellwinkel
mit den bereits angeführten Eigenarten einer größeren bzw. kleineren Steilheit und
einen entsprechenden vollkommeneren, nahezu linearen oder abweichenden Kurvenverlauf
erstreckt.
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Der Aufbau der Einrichtung kann derart getroffen werden, daß jeweils
nur auf einem der beiden möglichen Bereiche der relativen Verstellung der beiden
Motorteile gearbeitet wird, wie es oben erläutert worden ist, d. h., daß in den
Endstellungen des gewählten Verstellbereiches der beiden Motorteile jeweils von
der Einrichtung ein Höchstbetrag des Ausgangwertes geliefert wird. Es kann sich
in manchen Einrichtungen auch als zweckmäßig erweisen, wahlweise in dem einen oder
anderen Arbeitsbereich der Einrichtung zu arbeiten. Schließlich kann es auch erwünscht
sein, eine bestimmte gegenseitige Ablösung in der Wahl der Arbeitsbereiche der Einrichtung
zu benutzen.