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Elektromechanisches Antriebssystem Die Erfindung betrifft ein regelbares,
elektromechanisches Antriebssystem, bei dem die Umdrehungsgeschwindigkeit der Eingangswelle
innerhalb eines großen Bereiches schwanken kann und dessen Ausgangswelle mit konstanter
Geschwindigkeit umlaufen soll.
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Ein solches System findet vorzugsweise Anwendung für den Antrieb eines
Wechselstromgenerators, der eine konstante Frequenz liefern soll und der mechanisch
mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben wird. Derartige Generatoren werden
z. B. zur Speisung eines Wechselstromnetzes in Fahrzeugen, wie Eisenbahnen u. dgl.,
oder in Flugzeugen verwendet.
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Es sind bereits verschiedene Lösungen bekannt, nach denen eine mit
veränderlicher Geschwindigkeit umlaufende Eingangswelle einen Stromgenerator mit
konstanter Geschwindigkeit über eine übersetzungsvorrichtung antreibt, deren Übersetzungsverhältnis
veränderbar ist. Die Steuerung des übersetzungsverhältnisses derart, daß die Umlaufgeschwindigkeit
der Ausgangswelle konstant ist, wird bei einer bekannten Ausführung mit Hilfe einer
Übersetzungsvorrichtung erreicht, die eine elektromagnetische Kupplung mit veränderbarem
Schlupf enthält. Die Änderungen des Schlupfes werden durch Änderung des Steuerstromes
für die elektromagnetische Kupplung erzielt.
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Es ist weiterhin eine Übersetzungsvorrichtung bekannt, bei der ein
Differentialgetriebe zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle angeordnet
ist, dessen Planeten auf der Eingangswelle angeordnet sind, derart, daß ein erstes
Planetenrad rotationsfest mit der Ausgangswelle und ein zweites Planetenrad frei
drehbar auf einer Rotationsachse angeordnet sind und von einem Bremssystem beeinflußt
werden, das z. B. aus einer elektromagnetischen Bremse mit veränderbarem Schlupf
besteht. Der Rotor dieser elektromagnetischen Bremse ist rotationsfest mit dem zweiten
Planetenrad und der Stator ist fest mit einem festen Teil der Vorrichtung verbunden.
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Mit diesen beiden bekannten übersetzungsvorrichtungen ist der Antrieb
einer Welle mit konstanter Geschwindigkeit an sich möglich. Für bestimmte Fälle,
wenn nämlich die Rotationsgeschwindigkeit der Eingangswelle zwischen einem oberen
und unteren festgelegten Wert schwankt, muß aber das übersetzungsverhältnis in entgegengesetztem
Sinn wie die Geschwindigkeitsänderung der Welle und proportional zu dieser Änderung
innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte veränderbar sein, um tatsächlich eine konstante
Umlaufgeschwindigkeit für die Ausgangswelle zu erzielen. Bei Verwendung einer elektromagnetischen
Kupplung mit veränderbarem Schlupf ist der Bereich der Rotationsgeschwindigkeitsänderungen
der Eingangswelle, innerhalb dessen ein Ausgleich möglich ist, durch den maximalen
Abstand zwischen den beiden Grenzwerten des Schlupfes der Kupplung bestimmt.
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Anders ausgedrückt muß zur Ermöglichung eines konstanten Antriebs
der Ausgangswelle durch eine Eingangswelle; deren Rotationsgeschwindigkeit in einem
weiten Bereich schwanken kann, ein übersetzungsgetriebe mit einem Schlupf verwendet
werden, der die gesamte Änderung des übersetzungsverhältnisses innerhalb der vorgegebenen
Grenzen ermöglicht. Dies ist eine wesentliche Schwierigkeit bei der Lösung der gestellten
Aufgabe und ergibt unter bestimmten Bedingungen große Verluste.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile zu vermeiden,
die bei der ausschließlichen Verwendung der obenerwähnten Übersetzungsvorrichtung
vorhanden sind. Diese Nachteile sind besonders schwerwiegend in den Fällen, in denen
ein Wechselstromgenerator mechanisch durch einen Motor angetrieben werden soll,
dessen Rotationsgeschwindigkeit in sehr weiten Grenzen schwanken kann.
Es
ist ein elektromechanisches Antriebssystem bekannt, von dem bei der Lösung der der
Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ausgegangen wird. Dieses bekannte Antriebssystem
wird von einer Eingangswelle mit veränderlicher Geschwindigkeit angetrieben und
ist mit einem Differentialgetriebe versehen, das mindestens drei bewegliche Glieder
enthält, die von einem Planetenträger und zwei Sonnenrädern bzw. Ritzeln gebildet
werden. Die Ritzel stehen mit den Planeten im Eingriff, und eines der beweglichen
Teile wird von der Eingangswelle in Rotation versetzt, während ein zweites dieser
beweglichen Teile die Ausgangswelle im gleichen Richtungssinn in Rotation versetzt;
weiterhin steht das dritte bewegliche Teil mit einem Rotor einer elektromagnetischen
Kupplung mit veränderlichem Schlupf in Verbindung, und es ist ein elektrischer Regelkreis
zur Regelung der Erregung der elektromagnetischen Kupplung vorhanden, der den Schlupf
der Kupplung derart steuert, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Ausgangswelle konstant
ist. Erfindungsgemäß ist bei diesem elektromechanischen Antriebssystem eine Vorrichtung
vorgesehen, die den zweiten Rotor der elektromagnetischen Kupplung wahlweise in
verschiedenem Richtungssinn antreibt oder stillsetzt, und diese Vorrichtung wird
durch einen elektrischen Hilfskreis gesteuert, der eine Einrichtung zur Messung
der Rotationsgeschwindigkeit der Eingangswelle enthält.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Planetenträger
des Differentialgetriebes rotationsfest mit der Eingangswelle verbunden; ein erstes
Ritzel des Differentials steht im Eingriff mit den Planeten und treibt die Ausgangswelle
an, während ein zweites Ritzel mit den Planetenrädern im Eingriff steht und rotationsfest
mit dem Anker der elektromagnetischen Kupplung verbunden ist; der Feldmagnet dieser
Kupplung ist mit der Eingangswelle über ein Übersetzungsgetriebe verbunden, das
diesen Feldmagneten entweder in entgegengesetztem Sinn zur Umlaufbewegung der Eingangswelle
antreibt oder ihn stillsetzt, je nachdem, ob die Rotationsgeschwindigkeit der Eingangswelle
unterhalb oder oberhalb eines festgelegten Mittelwertes zwischen den Grenzwerten
der Geschwindigkeit liegt, die den Variationsbereich der Geschwindigkeitsänderungen
der Eingangswelle angeben.
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Bei einer speziellen Ausführungsform des mit dem Feldmagneten verbundenen
Übersetzungsgetriebes treibt die Eingangswelle das erste Zahnrad eines zweiten Differentialgetriebes
an. Die Achsen der Planetenräder dieses zweiten Differentials sind in einer Platte
gelagert, die durch eine Bremse stillgesetzt werden kann. Das Ein- bzw. Ausschalten
der Bremse erfolgt abhängig davon, ob die Umlaufgeschwindigkeit der Eingangswelle
unterhalb oder oberhalb des festgelegten Mittelwertes liegt. Das zweite Ritzel dieses
zweiten Differentials ist mit dem Feldmagneten fest verbunden, der mit Hilfe eines
frei laufenden Rades auf dem festen Gestellteil des Systems montiert ist, derart,
daß das freie Rad ausschließlich eine Umlaufbewegung des Feldmagneten im entgegengesetzen
Sinn zur Rotationsbewegung der Eingangswelle ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße elektromechanische Antriebssystem hat die folgenden
wesentlichen Vorteile gegenüber den bekannten Systemen: Bei gleichem Gewicht und
Raumbedarf und für maximale Verluste der elektromagnetischen Kupplung wird eine
wesentliche Vergrößerung des ausgleichbaren Geschwindigkeitsbereiches der Eingangswelle
erhalten, ohne daß die maximale Absolutgeschwindigkeit der verschiedenen Teile der
Kupplung erhöht werden müßte. Umgekehrt kann für einen gegebenen Variationsbereich
und für bestimmte Maximalgeschwindigkeiten eine Verminderung des Raumbedarfs und
des Gewichts der verwendeten bewegten Teile erzielt werden, d. h. der elektromagnetischen
Kupplung, der Differentiale und der Bremse bzw. des Gesperres, das zur Stillsetzung
eines der Rotoren der Kupplung vorgesehen ist. Die Dimensionierung dieser Teile
ist eine Funktion der Kupplungskräfte, die sie zu übertragen haben und die prinzipiell
geringer sind als bei bekannten Systemen.
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Außerdem werden durch den einfachen und robusten Aufbau der bewegten
Teile der elektromagnetischen Kupplung die auftretenden Verluste weitgehend ausgeglichen,
insbesondere für den Fall; daß der Wirkungsgrad des Reglers von geringer Bedeutung
ist, z. B. wenn die Antriebskraft der Eingangswelle im Verhältnis zu der für den
Regler notwendigen Leistung sehr groß ist. Dies ist regelmäßig bei Reglern der Fall,
die von einem Flugzeugmotor angetrieben werden.
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Der Anker der Kupplung kann aus massivem Stahl bestehen, so daß die
Verluste gering sind. Der Betrieb des Reglers ist dann auch bei sehr hohen Temperaturen
leicht möglich, da die theoretische Wärmegrenze durch den Curie-Punkt dieses Metalls
bestimmt wird. Diese Eigenschaft ist besonders interessant für Flugzeuge mit Überschallgeschwindigkeit,
da der Regler mit Luft von überhöhter Temperatur gekühlt werden kann.
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Die Stillsetzung eines der Rotoren wird, wie bereits erläutert, mit
Hilfe eines Gesperres erzielt, dessen Betätigung vorzugsweise elektromagnetisch
erfolgt. Das Ein- und Ausschalten dieses Spezialgesperres kann daher mit Hilfe eines
gesteuerten Erregerstromes erfolgen.
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Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dieser
Erregerstrom in Abhängigkeit von der Leistung der Ausgangswelle dosiert werden,
z. B. in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung des Generators; der durch diese Welle
mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird. Es ist vorteilhaft, die Spitzenwerte
der Kupplungskräfte zu reduzieren, die an den verschiedenen Teilen des elektromechanischen
Systems beim Einschalten des Gesperres auftreten, da ein plötzlicher Schaltstoß
des Erregerstromes dieses Gesperres Kupplungskräfte auslösen würde, die die Lebensdauer
des Systems beinträchtigen würden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Es ist dargestellt in Fig. 1 das elektromagnetische Antriebssystem gemäß der Erfindung
mit Ausnahme der elektrischen Steuerkreise, wobei die elektrischen und mechanischen
Teile zum besseren Verständnis des funktionellen Zusammenhangs schematisch dargestellt
sind, Fig. 2 ein Schaltbild des mit dem System gemäß Fig. 1 verbundenen elektrischen
Regelsystems, Fig. 3 und 4 zwei verschiedene Ausführungsformen der für die Steuerung
des Gesperres verwendbaren elektrischen Steuerkreise.
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Das in Fig. 1 dargestellte elektromechanische Antriebssystem enthält
eine Eingangswelle E, deren
Rotationsgeschwindigkeit veränderlich
ist. Die Betriebsgeschwindigkeit kann zwischen einem Minimalwert Ne l und
einem Maximalwert Ne 3 festgelegt werden.
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Die Eingangswelle E ist rotationsfest mit einer Tragplatte S 1 verbunden,
auf der ein Differentialgetriebe D 1 angeordnet ist, das von bekannter Art sein
kann und vorzugsweise epizykloidisch ausgeführt ist. Ein erstes Ritzel P 1,1 dieses
Differentials D 1, im folgenden »Sonnenrad P 1,1« genannt, versetzt einen Generator
A in Rotationsbewegung, und zwar mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit
Na, wie später noch näher erläutert werden wird.
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Ein zweites Ritzel P 1,2 des Differentials D 1, im folgenden »Sonnenrad
P l,2« genannt, ist rotationsfest mit dem Anker 1T verbunden, der einen Teil einer
elektromagnetischen Wirbelstromkupplung FM bildet. Der Feldmagnet IR dieser Kupplung
wird durch Gleichstrom über die als Schleifring ausgebildeten Klemmen 1, 2 erregt.
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Der Anker 1T der Kupplung FM besteht vorzugsweise aus massivem
Magnetstahl.
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Der bekannte Vorteil dieser Kupplung besteht darin, daß der erzielte
Bremswiderstand praktisch unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Anker
und Feldmagnet, d. h. unabhängig vom Schlupf ist. Darüber hinaus ergibt sich für
einen bestimmten Erregerstrom ein minimaler Schlupf. Es können daher große Änderungen
der Eingangsgeschwindigkeit zugelassen werden, wobei die Ausgangsgeschwindigkeit
für den Generator konstant gehalten werden kann, wie noch näher erläutert werden
wird.
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Es kann vorteilhaft sein, den elektrischen Widerstand des Ankers zur
Erzielung eines minimalen Schlupfes zu vermindern. Dies kann in an sich bekannter
Weise durch Einfügung von Kupfer- oder Aluminiumstäben in Form eines Käfigs oder
in Form von Ringen erzielt werden.
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Der Anker kann mit Kühlflügeln versehen sein, die entweder durch entsprechende
Formgebung des Kernes gebildet werden oder an diesem befestigt sind, falls eine
Kühlung durch Konvektion gewünscht wird.
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Der Feldmagnet IR ist mit der Eingangswelle über eine Übertragungsvorrichtung
TM verbunden, die ihn entweder im entgegengesetzten Richtungssinn zur Welle E antreibt
oder ihn stillsetzt.
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Die Übertragungsvorrichtung TM enthält zu diesem Zweck drei Teile,
nämlich: Ein frei laufendes Rad RL beliebiger bekannter Art, das zwischen dem Feldmagneten
IR und einem festen Rahmen angeordnet ist und die Rotation des Feldmagneten IR im
entgegengesetzten Sinn zur Eingangswelle E ermöglicht; ein Differential D 2 von
beliebiger bekannter Art, dessen Träger S2 einerseits mit einem ersten Ritzel, nämlich
dem Sonnenrad P2,1 im Eingriff steht, das rotationsfest mit der Eingangswelle E
verbunden ist, und andererseits mit einem zweiten Ritzel, nämlich dem Sonnenrad
P2,2, das rotationsfest mit dem Feldmagneten IR verbunden ist; ein Gesperre FB,
das den Träger S 2 entweder blockiert oder freigibt. Dieses Bremsgesperre
ist vorzugsweise elektromagnetisch aufgebaut. Die Bremsfläche kann aus einer einzigen
Scheibe, aber auch aus mehreren Scheiben oder aus Zapfen bestehen. Auch eine Bandbremse
mit elektrisch gesteuerter Selbstklemmung kann verwendet werden.
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Der elektromagnetische Geschwindigkeitsregler enthält unter anderem
ein Tachometer T, das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Dieses Tachometer mißt
die Rotationsgeschwindigkeit Ne der Antriebswolle E und steuert das Ein-
bzw. Ausschalten des Gesperres FB über Stromkreise, die im folgenden näher beschrieben
werden.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist im wesentlichen
zweistufig. In der ersten Stufe, in der die mittlere Geschwindigkeit Ne der
Eingangswelle zwischen dem Minimalwert Ne 1 und einem Mittelwert Ne 2 liegt,
ist das Gesperre FB wirksam, während in der zweiten Stufe, in der die Geschwindigkeit
Ne der Eingangswelle zwischen dem Mittelwert Ne 2 und dem Maximalwert
Ne 3 liegt, das Gesperre FB außer Betrieb ist. Es sind daher die beiden folgenden
Fälle zu unterscheiden: a) Das Gesperre FB des Planetenträgers S 2 des Differentials
D 2 ist im Betrieb, d. h. im Falle der elektromagnetischen Betätigung, daß die Magnetwicklung
erregt ist. Dies ist bei geringen Geschwindigkeiten der Eingangswelle E der Fall.
In diesem Fall wird der Planetenträger S2 des Differentials D 2 stillgesetzt. Das
Sonnenrad P 2,2, das mit dem Feldmagneten IR der Kupplung FM fest verbunden
ist, rotiert im entgegengesetzten Sinn zur Welle E. Dies wird durch die Montage
des freien Rades RL ermöglicht. Die Rotationsgeschwindigkeit des Sonnenrades P 2,2
ist der Geschwindigkeit Ne der Welle E proportional. Auf diese Weise wird die Rotation
des Ankers 1T im entgegengesetzten Sinn zur Welle E ermöglicht.
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Um unter diesen Bedingungen die Umlaufgeschwindigkeit des Generators
und damit seine Frequenz konstant zu halten, wird die Geschwindigkeit des Ankers
IT der Kupplung FM in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit Ne der
Welle geändert. Diese Geschwindigkeiten sind von der Übersetzung des Differentialgetriebes
D 1 abhängig. Die Geschwindigkeitsänderung wird elektrisch gesteuert, wie dies aus
der Beschreibung der Fig. 2 hervorgeht.
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Der Generator A wird daher von der Eingangswelle E über das Differentialgetriebe
D 1 in Rotation versetzt. Das Differential D 1 wirkt als mechanische, veränderliche
Übersetzung. Die gewünschte konstante Geschwindigkeit Na des Generators A
kann auf diese Weise bei der geringsten zulässigen Rotationsgeschwindigkeit der
Eingangswelle E erhalten werden.
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b) Das Gesperre FB des Planetenträgers S2 des Differentials D 2 ist
nicht in Betrieb, d. h. bei elektromagnetischer Steuerung, sein Elektromagnet ist
nicht erregt. Dies gilt für den Fall großer Umlaufgeschwindigkehen der Eingangswelle
E.
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In diesem Fall überträgt das mit dem Generator A verbundene Sonnenrad
ein Drehmoment auf den Planetenträger S 1 des Differentials D 1, wobei
dieses Drehmoment durch die von dem mit dem Anker 1T
fest verbundenen
Sonnenrad P 1,2 übertragene Gegenkraft ausgeglichen wird. Das Drehmoment des Feldmagneten
IR wird von dem freien Rad RL aufgenommen, das in diesem Fall blockiert ist. Der
Feldmagnet IR ist daher stillgesetzt, und der Planetenträger S2 des Differentials
D2 läuft frei.
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Der Anker 1T rotiert nun im gleichen Richtungssinn wie die Eingangswelle
E und treibt daher den Generator A über das Differentialgetriebe
D 1 an.
Dieses Differential wirkt also auch in diesem Fall als mechanische,
veränderliche übertragung (in Abhängigkeit von dem Schlupf der Kupplung FM).
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Es ist klar, daß für eine bestimmte Geschwindigkeit Na des
Generators eine Minimalgeschwindigkeit Ne 2 der Antriebswelle vorhanden sein muß,
wobei diese Minimalgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit Null des Ankers der
Kupplung vorgegeben ist. Unterhalb dieser theoretischen Geschwindigkeit Ne 2 wäre
es nicht möglich, die Geschwindigkeit des Generators konstant zu halten (praktisch
wird der minimale Schlupf der Kupplung zu berücksichtigen sein), wenn nicht die
Möglichkeit bestünde, den Richtungssinn der Rotation des Ankers 1T umzukehren, wie
dies unter a) erläutert worden ist.
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In der folgenden Tabelle sind die theoretischen Betriebswerte der
verschiedenen Teile der erfindungsgemäßen Einrichtung während der beiden Arbeitslagen
dargestellt.
Der Übergang von der Arbeitsstufe a) zu der Arbeitsstufe b) oder umgekehrt erfolgt
durch Aus-bzw.- Einschalten des Gesperres FB des Differentials
D2, abhängig
davon, ob die mit dem Tachometer
T
gemessene Eingangsgeschwindigkeit größer
bzw. kleiner als der Wert
Ne 2 -I- n
- n ist, wobei dieser Wert entsprechend
dem minimalen Schlupf der Kupplung FM gewählt ist.
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In Fig. 2 ist ein Schaltbild des elektrischen Steuerteils für die
Vorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt. Diese Steuerschaltung besteht im Prinzip aus
einem Spannungsregler RT, dessen Schaltung mit strichpunktierten Linien umgrenzt
ist, aus einem Frequenzregler RF, ebenfalls mit strichpunktierten Linien umgrenzt,
und einem Tachometerrelais rt, mit dessen Hilfe der übergang von der - Arbeitsstufe
a) zur Arbeitsstufe b) ausgeführt wird.
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Der Spannungsregler RT enthält einen Dreiphasen-Stromwandler TI, dessen
drei Wicklungen in die drei Ausgangsleitungen des Generators A geschaltet sind.
Dieser Stromwandler speist den Feldmagneten 3 des Generators A über die Gleichrichter
Rd1, die in Serie mit einer Wicklung R 1 eines Magnetverstärkers A 1 liegen. Der
Stromwandler T1 liefert daher einen wesentlichen Teil des Erregerstromes für den
Generator A. Der geregelte Teil des Erregerstromes wird über den Dreiphasen-Magnetverstärker
A 1, der mit Selbstsättigung arbeitet, geliefert. Die zu regelnde Spannungsquelle,
nämlich der Ausgang des Generators A, bildet selbst eine Wechselstromquelle konstanter
Spannung, die den Magnetverstärker A 1 speist, dessen Ausgangsstrom wiederum dem
Feldmagneten 3 über die Wicklungen R 1 zugeführt wild.
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Der Verstärker A 1 enthält drei Wicklungen 4, die mit der Eingangsstromquelle
in Serie geschaltet und auf sättigbaren Magnetkernen angeordnet sind. Die an den
Klemmen dieser Wicklungen 4 auftretende Spannung ist abhängig vom Sättigungszustand
der Magnetkerne. Durch Änderung des Sättigungszustandes in Abhängigkeit von der
Ausgangsspannung des Generators wird nach Gleichrichtung ein in Abhängigkeit von
dieser Spannung schwankender Gleichstrom erhalten.
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Die Kennlinie eines Magnetverstärkers, dargestellt durch die Funktion
der Amperewindungen von dem mittleren Sättigungswert des Ausgangsstromes, enthält
bekanntlich
einen vollständig linearen Nutzbereich, der eine Verstärkung angibt, die möglichst
hoch zu wählen ist, um eine große Empfindlichkeit des Verstärkers zu erzielen. Die
Erhöhung der Verstärkung wird in erster Linie durch eine zusätzliche Sättigung erzielt,
die dem Ausgangsstrom I des Verstärkers A 1 proportional ist und die mit Hilfe einer
Gegenwicklung R 1 erzielt wird. Außerdem wird eine Entmagnetisierung bis unterhalb
des Sättigungswertes vorgenommen, die der Ausgangsspannung und damit dem Ausgangsstrom
des Verstärkers A 1 proportional ist und mit Hilfe einer zweiten Gegenwicklung CR
1 erhalten wird. Diese Entsättigung ist durch den regelbaren Widerstand r2 leicht
einstellbar, wobei dieser regelbare Widerstand mit einem Festwiderstand r 1 in Serie
geschaltet ist. Die Wicklung CR 1 ermöglicht eine Einstellung der Genauigkeit der
Regelung.
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Es genügt nun, auf der in dieser Weise angepaßten Kennlinie des Magnetverstärkers
A 1 einen richtigen Arbeitspunkt zu wählen, derart, daß die Nennspannung des Generators
A und der Ausgangsstrom des Verstärkers A 1 einen passenden Wert haben.
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Dies ist einfach durch die Wahl einer bestimmten Windungszahl der
Steuerwicklung C zu erreichen. Es genügt in jedem Fall, den geradlinigen Teil der
Kennlinie mit Steuerströmen gleicher Richtung maximal auszunutzen. Im vorliegenden
Fall ist es ausreichend, wenn der Ausgangsstrom des Verstärkers A 1 bei Erhöhung
der Ausgangsspannung des Generators A abnimmt, was wegen der Funktion der gewählten
Spannungsgleichrichter immer zu negativen, d. h. entgegengesetzt gewickelten Amperewindungen
der Steuerwicklung führt.
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Auf diese Weise wird die gesamte Kennlinie verschoben, derart, daß
für die negativen Amperewindungen der Steuerwicklung der gesamte geradlinige Bereich
ausgenutzt wird. Diese Verschiebung wird durch einen konstanten Strom erhalten,
der eine Polarisationswicklung P durchfließt und eine passende Amperewindungszahl
erzeugt. Dieser Strom wird über einen regelbaren Widerstand r7 aus einer konstanten
Spannung erhalten, die an den Klemmen der Bezugsröhre L 3 vorhanden ist.
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Mit Hilfe der in der Steuerwicklung C erzeugten Amperewindungen wird
schließlich die Spannungsregelung vorgenommen. Der für diese Amperewindungen notwendige
Strom wird aus der zu regelnden Spannung über die Gleichrichter Rd 5 gewonnen
und gibt den mittleren Wert dieser Spannung an. Die der Eingangswechselspannung
proportionale Gleichspannung wird der Spannung der beiden in Serie geschalteten
Glimmregelröhren L 1, L 2 entgegengeschaltet. Die resultierende Spannung erzeugt
in der Steuerwicklung C einen Strom, der durch den gegebenenfalls regelbaren Widerstand
r 9 bezüglich seiner Größe festgelegt ist und die Wahl des gewünschten Arbeitspunktes
erlaubt. Die Zündung der Röhren L 1, L 2 wird in an sich bekannter Weise durch einen
in den Steuerkreis eingesetzten Widerstand r 10 gesichert.
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Magnetverstärker erzeugen im allgemeinen während ihres Betriebes elektromotorische
Kräfte in den Steuerwicklungen (Harmonische). Diese Harmonischen stören die Arbeitsweise
und verursachen je nach ihrer Eigenleistung eine größere oder geringere Empfindlichkeit
der Gleichrichter. Zur Vermeidung dieses Effektes wird oft in Serie zu diesen Wicklungen
eine Drossel geschaltet. Bei der vorliegenden Schaltung wird diese Funktion durch
einen Trans-EormatorM1 erfüllt, der außer der Drosselwirkung noch eine Gegeninduktion
in der anderen Wicklung erzeugt. Der Anteil der Harmonischen in diesen Wicklungen
ist daher außerordentlich gering.
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Ein Stromkreis, bestehend aus der Magnetspule SU, den Widerständen
Rh und der Gleichrichteranordnung Rd 6, ermöglicht eine Begrenzung der Spannungsspitzen
für den Fall, daß zwischen Phase und Null Unsymmetrien vorhanden sind.
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Ein Stromkreis, bestehend aus dem Widerstand r8, dem Kondensator C
I, dem Widerstand r5 und der Wicklung des Transformators M 1, dient zur Ergänzung
der Stabilisierung. Der Frequenzregelkreis. RF enthält einen Leistungsstromwandler
T2, der einen wesentlichen Teil der Erregung des Feldmagneten IR der Kupplung über
die Gleichrichter Rd3 liefert. Die Erregung der Kupplung muß im selben Maß zunehmen,
wie der von dem Generator entnommene Strom ansteigt.
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Zu diesem Zweck ist ein dreiphasiger Magnetverstärker A 2 mit Eigensättigung
vorgesehen, der über die mit den Gleichrichtern Rd3 parallel geschalteten GleichrichterRd4
den für die Erregung noch notwendigen Stromanteil liefert. Dieser Verstärker enthält
vier Steuerwicklungen. Die beiden ersten Wicklungen R 2 und CR 2 sind Gegenwicklungen,
von denen die Wicklung R 2 in Serie mit der Erregerwicklung der Kupplung liegt.
Die zweite Wicklung CR 2 ist parallel zur Erregerspannung angeordnet. Die beiden
anderen Wicklungen E 1, E 2 sind symmetrisch und gegeneinandergeschaltet und werden
über zwei Filter gespeist. Das eine Filter ist ein Hochpaß, bestehend aus der Spule
L 4 und dem Kondensator C 4, und das andere Filter ist ein Tiefpaß, bestehend aus
der Spule L 3, C 3. Die Grenzfrequenzen beider Filter liegen in der Nähe der Generatorfrequenz.
Die Filter sind mit den Wicklungen E 1 und E 2 über die Gleichrichter Rd7 und Rd
8 verbunden.
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Die Gegeninduktivität M2 dient zur Stabilisierung des Systems.
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Das Tachometerrelais rt wird von einem den Permanentmagneten T enthaltenden
Induktor gesteuert, der ein Filter F speist. Das Relais rt kann magnetisch, mechanisch
oder elektronisch, z. B. mit gesteuerten Zellen, ausgeführt sein. Das Relais erregt
den Magneten des Gesperres FB in Abhängigkeit von der Eingangsgeschwindigkeit, wodurch
die obenerwähnte Geschwindigkeitsänderung erzielt wird.
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Ein aus dem Gleichrichter Rd9 und dem Widerstand r 12 bestehender
Stromkreis ist an den den Permanentmagneten T enthaltenden Induktor angeschlossen
und dient zur Einschaltung des Generators A.
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Bei der Beschreibung der Fig. 2 wurde der Einfachheit halber davon
ausgegangen, daß das Gesperre FB nur in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit
der Eingangswelle ein- bzw. ausgeschaltet wird.
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Tatsächlich kann es aber vorteilhaft sein, einen elektrischer. Steuerkreis
für das elektromagnetisch gesteuerte Gesperre vorzusehen, so daß die Erregerstromstärke
dieses Gesperres geregelt werden kann.
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In Fig.3 ist eine Ausführungsform eines derartigen Steuerkreises dargestellt.
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Eine Dreiphasenleitung mit den Leitern P 1, P 2 und P 3 wird von dem
Generator A (in Fig. 1 und 2 dargestellt) gespeist. An diese Leitung ist eine weitere
Dreiphasenleitung P'1, P'2, P'3 angeschlossen.
Ein Autotransformator
T3 ist mit je zwei Abgriffen versehen und wird über die Leitungen P'1, P'2 und P'3
gespeist. Er liefert an zwei Gleichrichterbrücken Rd 15 und Rd 16 an deren
Anschlußpunkte a
und b Spannungen Ua und Ub. Die Spannung Ua ist größer als
die Spannung Ub.
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Für kleine Ausgangsleistungen des Generators und bei Werten der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Eingangswelle unterhalb Ne 2 ist der Transistor TR 3 normalerweise entsperrt,
während die Transistoren TR 1 und TR 2 gesperrt sind. Der Elektromagnet E des Gesperres
FB erhält die Spannung Ub.
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Wenn die Ausgangsleistung des Generators bei gleicher Geschwindigkeit
der Eingangswelle einen vorgegebenen Wert übersteigt, wird der Transistor TR 1 über
den Transistor TA 2 entsperrt, und der Elektromagnet E erhält nun die Spannung Ua.
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Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der Eingangswelle oberhalb des
Wertes Ne2 liegt, wird der Transistor TR 3 gesperrt, so daß der Elektromagnet E
nicht mehr gespeist wird.
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Die Steuerung des Transistors TR 3 erfolgt über folgenden Stromkreis:
Induktor mit dem Permanentmagneten T, Kondensator C 5, Transformator
T 4,
Gleichrichter Rd 13, Kondensator C 6, Gleichrichter Rd 12 und Widerstand
R 16. Die Ausgangsspannung der Gleichrichter Rd 13 ist abhängig von der Ausgangsspannung
des Induktors mit dem Permanentmagneten T, d. h. abhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Eingangswelle. Für den vorgesehenen Variationsbereich der Geschwindigkeit der
Eingangswelle ist das durch den Kondensator C 5 und die Wicklung des Transformators
T 4 gebildete Filter derart dimensioniert, daß eine Erhöhung der Geschwindigkeit
eine Verminderung der an den Klemmen des Kondensators C 6 liegenden Spannung bewirkt.
Wenn diese Spannung die Sperrspannung des als Zenerdiode ausgebildeten Gleichrichters
Rd 12 übersteigt, dann fließt ein Strom über den Widerstand R I6, wodurch der Transistor
TR 3 entsperrt wird. Der Gleichrichter Rd 14 ist zur Wicklung E parallel geschaltet,
um eine überspannung am Transistor TR 3 im Moment des Sperrens zu vermeiden.
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Die Steuerung des Transistors TR 1 wird durch den Widerstand R 15
und den Transistor TR 2 ermöglicht, der seinerseits über den Widerstand R 14 und
den folgenden Stromkreis gesteuert wird: Stromwandler T 4', der über die Leitungen
P 1, P 2, P 3 gespeist wird, Gleichrichter Rd 10, Kondensator C7,
Widerstand
R13 und Gleichrichter Rd11, der als Zenerdiode ausgeführt ist. Wenn der Ausgangsstrom
des Generators und damit die Spannung an dem Widerstand R 13 einen bestimmten Wert
erreicht, erhalten die Diode Rd 1.0 und der Widerstand R 13 eine Spannung,
deren Wert die Sperrspannung der Zenerdiode Rd11 übersteigt, so daß an den Widerstand
R14 eine Spannung geliefert wird, die den Transistor TR 2 entsperrt. Dieser Transistor
entsperrt seinerseits den Transistor TR 1 über den Widerstand R 15.
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Mit dem in Fig. 3 dargestellten Steuerkreis kann daher eine Dosierung
des Erregerstroms für das Gesperre FB erzielt werden, und zwar mit Hilfe der beiden
verschiedenen Spannungswerte Ua und Ub in Abhängigkeit von der Belastung des Generators.
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In Fig.4 ist eine weitere Ausführungsform des elektrischen Steuerkreises
für den Erregerstrom des Gesperres FB dargestellt. Bei dieser Ausführungsform behält
der Erregerstrom des Gesperres FB einen konstanten Wert, solange der Ausgangsstrom
des Generators unterhalb eines vorgegebenen Wertes bleibt. Wenn der Ausgangsstrom
des Generators diesen vorgegebenen Wert übersteigt, wächst der Erregerstromwert
des Gesperres progressiv.
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Zu diesem Zweck wird der Elektromagnet E des Gesperres FB über Gleichrichter
Rd 18 und eine dreiphasige Selbstsättigungsspule L 6 von der Spannung des Generators
A. gespeist, die über die Leitungen P'1, P'2, P'3 zugeführt wird. Diese Leitungen
sind den Leitungen P 1, P 2 und P 3 parallel geschaltet und an die Sättigungsdrossel
L 6 über die Kontakte eines Relais R angeschlossen, das von dem Induktor mit dem
Permanentmagneten T gesteuert wird. Die Drossel 16 wird über eine Wicklung E3 gesteuert,
die von einem Strom ic durchflossen wird, und durch eine Wicklung E4, die der Wicklung
E 3 gegengeschaltet ist und von dem Strom i durchflossen wird, der über den Elektromagneten
E fließt. Die Drossel L 6 ist derart dirnensioniert, daß bei Vernachlässigung der
Magnetisierungs-Amperewindungen der Strom i dem Strom ic proportional ist.
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Es sei nun der folgende Stromkreis betrachtet: Spannungsquelle -f-
U, Gleichrichter Rd 17, Stromwandler T 5, Wicklung E 3 und Widerstand R 16,
Erde. Wenn der Ausgangsstrom 1a des Generators A
Null ist, so ist die von
der Sekundärwicklung des Stromwandlers T 5 gelieferte Stromstärke ia Null,
und der aus der Spannungsquelle + U entnommene Strom ic durchfließt die Gleichrichter
Rd17, die Wicklung E 3 und den Widerstand R 16.
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Zwischen dem Wert Null und einem vorgegebenen Wert des Stromes Ia
bleibt die Stärke des Stromes ic unverändert, wobei sich der Stromkreis des Sekundärstromes
ia über die Gleichrichter Rd 17 schließen kann. Oberhalb dieses vorgegebenen
Wertes der Stromstärke 1a wird der Wert des Sekundärstromes ia hinzugefügt, und
die Stromstärke ic wächst daher entsprechend dem Strom 1a. Das gleiche gilt für
die Stromstärke i; die den Schwankungen des Stromes ic folgt, wenn die Kontakte
des Relais R geschlossen sind.
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Das Relais R, der Verstärker AMP und das Filter F können von beliebiger
passender Ausführung sein. Diese Einheit dient nur zum Einrasten des Gesperres FB
bei einem Wert Ne2 der Umdrehungsgeschwindigkeit der Eingangswelle.
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Dieser Steuerkreis hat den Vorteil, daß dem Gesperre ein Bremswiderstand
erteilt wird, der der Belastung des Generators proportional und unabhängig von der
Temperatur der Spule des Gesperres ist.
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Die Erfindung wurde im Zusammenhang mit dem Fall beschrieben, in dem
eine Ausgangswelle mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben werden soll, da dies
einer der häufigsten Anwendungsfälle ist. Selbstverständlich ist es aber auch möglich,
dieses elektromechanische Antriebssystem zu verwenden, wenn die Aufgabe vorliegt,
eine Ausgangswelle mit einer Geschwindigkeit anzutreiben, die nach einem bestimmten
frei wählbaren Gesetz veränderlich ist. Es genügt hierfür, den elektrischen Steuerkreis,
der den Gleichstrom zur Regelung des Schlupfes liefert, entsprechend auszulegen.
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Wenn z. B. an Bord eines motorisch angetriebenen Flugzeugs ein Antriebssystem
der beschriebenen Art
verwendet wird, so wird dieses einen Wechselstromerzeuger
konstanter Frequenz antreiben. Aber zum Anlassen des Motors des Flugzeugs kann dieses
System in anderer Weise verwendet werden, nämlich derart, daß der Generator von
einer äußeren Stromquelle gespeist wird und demgemäß die Funktion eines Asynchronmotors
erhält. Dieser Asynchronmotor treibt den Motor des Flugzeugs mit progressiv wachsender
Geschwindigkeit über das elektromechanische Antriebssystem an, bis der Flugzeugmotor
angelassen ist.
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Es sind auch noch weitere Abwandlungen des erfindungsgemäßen Systems
möglich. Zum Beispiel ist in Fig. 1 dargestellt, daß der Anker 1T der Kupplung
FM durch das Sonnenrad P1,2 des Differentials D 1
in Rotation versetzt
wird. Es kann aber natürlich auch der Feldmagnet der elektromagnetischen Kupplung
angetrieben werden.
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Außerdem kann die Eingangswelle E auch mit einem anderen beweglichen
Organ des Differentialgetriebes als mit dem Planetenträger S 1 verbunden sein. Es
muß nur jeweils das Übersetzungsverhältnis der Differentialzahnräder berechnet werden,
und gleichzeitig muß der Rotationssinn der verschiedenen Teile für die verschiedenen
möglichen Anwendungsfälle festgelegt werden.