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Programmsteuereinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Programmsteuereinrichtung
für die zeitlich veränderbare Einschaltung elektrischer Verbraucher, die aus einer
Schaltwalze und einer Relaisschaltung besteht. Derartige Einrichtungen haben große
Bedeutung bei der Untersuchung, elektrischer Energieübertragungssysteme im Rahmen
der modeRmäßigen Nachbildung dieser Netze sowie deren Verbraucher und Generatoren.
Bei solchen Energieübertragungssystemen interessiert vor allein das Verhalten des
Netzes und der Generatoren im nicht stationären Zustand, insbesondere also bei allen
denkbaren Schaltvorgängen, Kurzschlüssen, Unterbrechungen, Simultanfehlern usw.
Diese Fehler lassen sich bekanntlich unter Verwendung verschiedener Komponentensysteme
als Ersatzmehrpole, z. B. Dreipole, darstellen.
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Aufgabe der Programmsteuereinrichtung- ist es, diese Dreipole nach
einem vorgegebenen Schaltprogramm in jeder gewünschten Reihenfolge periodisch in
das an einer bestimmten Stelle aufgetrennte Modellnetz des Energieübertragungssystems
einzuschalten. Dabei soll die Zeitdauer der einzelnen Schaltvorgänge, vor allem
auch während des Laufs der Schaltwalze, frei einstellbar sein und der Umschaltzeitpunkt
genau und exakt eingehalten werden können. Diese Forderung hat insofern eine weitergehende
Bedeutung, als innerhalb eines vorgegebenen Schaltzyklus auch bei den Generatornachbildungen
(Simulatoren) zu bestimmten Zeiten gewisse Schalthandlungen durchgeführt werden
müssen, wie die Verkleinerung des Trägheitsmomentes, die winkelgefühite Rückstellung
der Polräder usw. Auf diese Weise sind für gleichartige Messungen auch die gleichen
Ausgangsbedingungen geschaffen. Schließlich müssen die übergangswiderstände an den
Kontaktgabestellen der Schaltwalze ohne Einfluß auf das Verhalten des modellmäßig
nachgebildeten Energieübertragungssystems sein. Sie dürfen vor allem nicht schwanken.
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Es sind Programmsteuereinrichtungen nach Art von Walzenschaltem mit
feststehenden äußeren, gegebenenfalls auch drehverschiebbaren Zylindern als Schaltwalze,
die verstellbare Kontaktstifte enthalten, bekanntgeworden. Diese Walzenschalter
enthalten in ihrem Innern rotierende Kontakteinrichtungen, die jedoch den Nachteil
haben, daß die Herstellung des Kontaktes zwischen äußerem Zylinder und der rotierenden
Kontakteinrichtung schleifend erfolgt. Dadurch wird der Unischaltzeitpunkt der Kontaktgabe
nicht exakt eingehalten.
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Bei der Programmsteuereinrichtung gemäß der Erflndung, die ebenfalls
eine Schaltwalze mit mehreren miteinander abwechselnden feststehenden und im Betrieb
drehverschiebbaren Ringen enthält und bei der ferner im Innern der Ringe rotierende
Kontakteinrichtungen vorgesehen sind, sind die vorgenannten Nachteile dadurch beseitigt,
daß die drehverschiebbaren Ringe Kontaktstifte und die rotierende Kontakteinrichtung
Tastarme enthalten, die an ihrem freien Ende einen schwenkbaren abgewinkelten klappenartigen
Bürstenkontakt aufweisen, der durch eine Federfesselung gegen einen festen Anschlao,
am Tastann anliegt und der beim Durchlaufen der jeweiligen Kontaktbahn zur Kontaktgabe
kurzzeitig, ohne zu schleifen, gegen die Kontaktstifte anschlägt, und zwar entgegen
der Kraftrichtung der Feder.
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Die neue Programmsteuereinrichtung eignet sich insbesondere zum Einstellen
eines nach dem binären Zahlensystem aufgebauten Schaltprogramms. Dieses Schaltprogramin
läßt sich durch Drehen der Ringe auch im Betrieb hinsichtlich der zeitlichen Schaltfolge
verstellen. Die im Innern der Schaltwalze vorgesehene rotierende Kontakteinrichtung
vermeidet eine schleifende Abtastung der Kontaktstifte. Durch eine über Schleifringe
an die neue Steuereinrichtung angeschlossene Relaisschaltung, die als Steuersignal-Rückübersetzer
dient, läßt sich eine fortlaufende Umschaltung der anzuschließenden und auszutauschenden
Geräte herstellen.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel; es zeigt F
i g. 1 das Prinzipschaltbild der Schaltwalze, F i g. 2 eine »Unterabteilung«
von acht verschiebbaren und acht feststehenden Ringen im Längsschnitt, F i
g. 3 die perspektivische Ansicht der stark schematisierten Schaltwalze mit
Antrieb (nur eine »Unterabteilung« dargestellt),
F i g. 4
eine Teilansicht der Abtastarme (Klappbürste), F i g. 5 ein Schaltprogramm,
dargestellt auf der abgewickelten Walze, und F i g. 6 das Ersatzschaltbild
des Energieübertragungssystems mit der angeschlossenen Relaisschaltung, (Binärrückübersetzung).
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Zum besseren Verständnis des konstruktiven Aufbaus der Schaltwalze
und der Anordnung der Relaisschaltung seien zunächst die Grundüberlegungen angeführt,
die sich wegen des bei der Programmsteuereinrichtung zugrunde gelegten binäreii
Zahlensystems ergeben.
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Geht man z. B. von der Forderung aus, daß Ersatzdreipole mit Hilfe
von Relais periodisch in ein entsprechend aufgetrenntes, zu untersuchendes Energieübertragungssystem
eingeschaltet werden sollen, so bringt eine Anordnung nach dem Binärsystem den geringsten
Aufwand an Relais mit sich.
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An sich könnte man von dem Gedanken ausgehen, Schrittschaltwerke zum
*wahlweisen Austauschen der Ersatzdreipole zu benutzen. Aber schon die Forderung
nach einer definierten Dauer des jeweiligen Schaltzustandes, also der Zeit, während
der der je-
weils zugeschaltete Dreipol bis zur nachfolgenden Aufschaltung
des nächsten Dreipols am untersuchten Netz liegt, bedingt die Neukonstruktion eines
Schrittschaltwerkes und die Verwendung von Relais. Sie wird aber auch durch die
Forderung nach der Einstellbarkeit der vorgenannten Schaltfolge notwendig.
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Diesen Schwierigkeiten steht eine übersichtliche und leicht erweiterungsfähige
Relaisschaltung nach dem binären Zahlensystern gegenüber. Man ordnet der Anzahl
der auszutauschenden Dreipole eine entsprechende Zahl von Relais und damit von Binärzahlen
zu.
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Nach dem Ausführungsbeispiel sollen sechzehn Dreipole auszutauschen
sein. Diese sind daher durch sechzehn Binärzahlen (»Rufnummern«) entsprechend den
Zahlen von 0 bis 15 gekennzeichnet. In diesem Zahlenbereich weisen
die durch Plus- und Minusimpulse realisierbaren Binärzahlen vier Stellen auf. Einer
listenmäßigen Gegenüberstellung der arabischen Zahlen in der Reihenfolge von
0 bis 15 und der zugeordneten vierstelligen binären Zahlen kann man
leicht entnehmen, daß in jeder der vier senkrechten Binärziffernreihen ebenso viele
Nullen wie Einsen, d. h. negative und positive Impulszuordnungen vorhanden
sind. So ergeben sich z. B. für die Zahlen von 0 bis 7 in der ersten
senkrechten Reihe nur Nullen und für die weiteren Zahlen von 8 bis
15
nur Einsen. In der letzten, also vierten Reihe, treten für die Zahlen von
0 bis 15 bei den Binärzahlen miteinander abwechselnde Nullen und Einsen
auf. Es ergibt sich ganz allgemein, daß in jeder senkrechten Reihe acht Nullen und
acht Einsen enthalten sind, die mit acht negativen und acht positiven Impulsen nachzubilden
sind.
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Jeder negative und jeder positive Impuls wird von je einem
der drehverschiebbaren Ringe in der Schaltwalze ausgelöst. Für die Nachbildung der
ersten senkrechten Reihe der Binärzahlen müssen demnach acht Ringe für positive
und acht Ringe für negative Impulsgabe, insgesamt also sechzehn Ringe, vorhanden
sein. Im folgenden sind diese sechzehn Ringe als »Ringgruppe« bezeichnet, während
je acht positiv bzw. je acht negativ zu polende Ringe eine »Unterabteilung«
bilden. Da die listenmäßige Zusammenstellung der hier in Frage kommenden Binärzahlen
vier senkrechte Reihen mit je acht positiven und acht negativen Impulszuordnungen
ergibt, muß die Schaltwalze auch vier Ringgruppen, bestehend aus acht Unterabteilungen
(davon vier positiv und vier negativ zu polende), oder 64 verschiebbare Ringe aufweisen.
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Der Beschreibung der Programmsteuereinrichtung sind zunächst die Fig.
1, 2, 3 zugrunde gelegt, aus denen der schaltungsmäßige und mechanische
Aufbau der Schaltwalze hervorgeht.
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In der grundsätzlichen Schaltung nach F i g. 1 besteht die
Schaltwalze 1 aus den abwechsend mit einem Plus- und Minuszeichen gekennzeichneten
acht Unterabteilungen a bis h. Jede Unterabteilung enthält acht drehverschiebbare
und acht feststehende Ringe (vgl. Fig. 2). Die feststehenden Ringe2 sind von unten
her auf einer Grundplatte befestigt und weisen außen eine Skala auf (nicht dargestellt).
Sie halten die verschiebbaren Ringe 3 von beiden Seiten her derart zusammen,
daß diese zwar bewegt werden können, aber nicht von den im Innern umlaufenden Tastarmen
4 der Kontakteinrichtung (vgl. Fig. 3) bei der Kontaktgabe verschoben werden
können. Diese Möglichkeit besteht insofern, als die verschiebbaren Ringe
3 an der Innenseite zur Kontaktgabe einen Kontaktstift 5 tragen. An
der Außenseite weisen sie eine Strichmarke und ein eingeschnittenes Gewinde zum
Einschrauben eines kleinen Griffes 6 auf (einmal dargestellt). Durch entsprechende
Abstimmung von Strichmarke und Skala läßt sich eine genaue und wegen des Griffes
6 zugleich bequeme Einstellung der Schaltzeitintervalle auch bei umlaufender
Kontakteinrichtung durchführen. Sowohl die feststehenden als auch die drehverschiebbaren
Ringe sind gegeneinander nicht isoliert (also leitend) und, wie F i g. 1
zeigt, geerdet.
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Jeder der vier Ringgruppen und damit jeder Stelle der Binärzahlen
ist ein Relais mit zwei Ankerruhelagen zugeordnet. Das Relais A ist demnach
der' ersten Ziffer, das Relais B der zweiten Ziffer, das Relais C der dritten
Ziffer und das 'Relais D der vierten Ziffer der Binärzahl zugeordnet. Ferner
ist in F i g. 1 jeder Unterabteilung a bis h ein Schleifring 7
zugeordnet,
der mit je einem Tastarm 4 der (in F i g. 3 dargestellten) Kontakteinrichtung
im Innern der Schaltwalze 1. verbunden ist. Jedes Relais A,
B, C, D liegt mit dem einen Wicklungsende an Erde, während das andere
Ende an der Mittelanzapfung zweier hintereinandergeschalteter Gleichspannungsquellen
8 angeschlossen ist. Jede der Gleichspannungsquellen 8 ist über
je einen Vorwiderstand 9 und eine Bürste 10 mit je einem
Schleifring 7 verbunden. Die Schleifringe 7 liegen also nacheinander
abwechselnd an je einem positiven und negativen Pol der Gleichspannungsquellen
8.
Entsprechend ist auch jede Unterabteilung a bis h bei Abtastung der Kontaktstifte
5 durch die in einer Ebene liegenden Tastarme 4 positiv bzw. negativ in der
gleichen Reihenfolge gepolt.
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Das Schaltprogramm wird durch Verstellung der drehverschiebbaren Ringe
3, also der damit verbundenen Verstellung der Kontaktstifte 5, an
der Innenseite dieser Ringe eingestellt. Man kann das Programm über den ganzen Umfang
der Walze verteilen. Bei der bevorzugten Ausführung nach F i g. 3 ist dies
jedoch
nicht geschehen. Das Programm ist hier nur über einen Bereich von 1801 abgewickelt.
Wendet man eine Kontakteinlichtung mit der doppelten Anzahl von Tastarmen (wie dargestellt)
an, so wird das Programm bei einem vollen Umlauf derselben zweimal hintereinander
abgetastet (zwei Zyklen pro Umlauf). Zu diesem Zweck legt man den zweiten Satz von
Tastannen an weitere acht Schleifringe. Will man über eine zweite Wiederholungsgeschwindigkeit
des Schaltzyklus verfügen, so verteilt man das Programm über _1601. In diesem Falle
wird der zweite Satz abgeschaltet, und zwar von außen her, da er über die genannten
zusätzlichen acht Schleifringe leicht zugänglich ist.
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Die bevorzugte Ausführung der Schaltwalze nach F i g. 3, bei
der nur eine Unterabteilung dargestellt ist, weist demnach vier 1#inggruppen, bestehend
aus acht Unterabteilungen und sechzehn Schleifringen, auf. Acht davon entfallen,
wie gesagt, auf die acht Unterabteilungen, während die übrigen acht für den Fall
vorgesehen sind, daß beide Sätze der Tastarine betrieben werden sollen. Diese beiden
aus sechzehn Tastarmen bestehenden Sätze sind fest auf der Welle 11 angeordnet.
Die Welle 11 steht auf der einen Seite über das zwischengeschaltete Getriebe
12 mit dem Motor 13 in Antriebsverbindung. Mit dem anderen Ende ist sie im
Lager 14 gehalten.
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Um mit einem einzigen Tastarin eine ganze Unterabteilung, also die
Kontakte 5 der acht verschiebbaren Ringe 3 abzutasten, sind die auf
diesen links und rechts des mittleren feststehenden Ringes angeordneten Kontaktstifte
nach der Mitte hin abgekröpft (vgl. F i g. 2). Bei der Anordnung nach F i
g. 2 sind aus Gründen der Darstellung zwei Ringe so verschoben, daß deren
abgekröpfte Kontaktstifte in bzw. oberhalb der Mittelachse 15 liegen, während
die übrigen abgekröpften Kontaktstifte unterhalb dieser Achse hintereinander geschoben
dargestellt sind. Die links vom mittleren feststehenden Ring 2 befindlichen Kontaktstifte
sind in der Zeichnung nach rechts und die auf der rechten Seite befindliehen Kontaktstifte
nach links abgekröpft; damit entsteht eine bei gleichmäßiger Verteilung der Kontaktstifte
über die ganze Walze am ganzen Umfang besetzte Kontaktbahn, die somit von einem
einzigen Tastarm 4 abgetastet werden kann.
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Die Tastarme 4 besitzen an ihrem Ende eine in F i g. 4 dargestellte
schwenkbare, abgewinkelte Klappbürste 16. Sie liegt durch die Federfessehm
C 9
17 gegen einen festen Anschlag 18 am Tastarm 4 an. Mit diesen
Klappbürsten 16 werden die Kontaktstifte 5 abgetastet. Bei der eingezeichneten
Bewegungsrichtung des Tastarmes schlägt die Klappbürste 16 gegen den Kontaktstift
5 nur kurzzeitig an, dreht sich dabei im Gegenuhrzeigersinn und spannt die
Rückholfeder. Durch Verwendung einer derartigen Klappbürste gelingt es also, eine
schleifende Abtastung zu vermeiden, da diese im Hinblick auf die genau wiederzugebenden
Zeitpunkte der Kontaktgabe unerwünscht ist. Es empfiehlt sich, die Klappbürste mit
Rücksicht auf größere Umlaufgeschwindigkeiten der Kontakteinrichtung und ferner
aus Gründen kleinster Berührungszeiten wenigstens so klein auszubilden, wie dies
mit Rücksicht auf den Veischleiß zulässig ist. Die Relais A, B,
C, D werden bei der Kontaktgabe zwar nur durch kurze Impulse erregt,
aber da sie, wie schon gesagt, nur zwei Ankerruhelagen aufweisen, bleiben die von
ihnen gesteuerten Stromkreise trotzdem bis zum jeweils folgenden Impuls eingeschaltet.
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In F i g. 5 ist auf der abgewickelten Schaltwalze ein nach
dem binären Zahlensystem an der Innenseite der Ringe mit Hilfe der Kontaktstifte
5 (also durch Verstellen der drehverschiebbaren Ringe) eingestelltes Schaltprogramm
19 dargestellt. Entlang des abgewickelten Umf angs ist in der Senkrechten
die in binären und den entsprechenden arabischen Zahlen willkürlich zusammengestellte
Schaltfolge dargestellt. In der Waagerechten sind zur Kennzeichnung der Unterabteilungena
bis h miteinander abwechselnde negative und positive Vorzeichen eingetragen. Bei
der Abwicklung sind die feststehenden Ringe einfachheitshalber nicht eingezeichnet.
Die an der Innenseite der beweglichen Ringe sitzenden Kontaktstifte 5 sind
durch viereckige voll ausgezogene Kästchen dargestellt, während die Abkröpfungen
gestrichelt eingezeichnet sind.
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Die Tastanne 4, die Schleifringe 7 mit den Bürsten
10, die Vorwiderstände 9, die Spannungsquellen 8 und die Relais
A, B, C, D sind in F i g. 5 oberhalb des Schaltprogramms
in einer zur Verdeutlichung des Wirkungsablaufes besser geeigneten Anordnung dargestellt.
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Die Einstellung des Schaltprogramms 19 geht so vor sich, daß
die verschiebbaren Ringe der einzelnen Unterabteilungen a bis h nacheinanderfolgend
zur Einstellung der der jeweiligen Ringgruppe zugeordneten Ziffer der Binärzahl
benutzt werden. Sind dabei positive und negative Impulsgaben notwendig, so wird
die Einstellung in der jeweilig positiv oder negativ gepolten Unterabteilung vorgenommen.
Dabei soll zuerst der jeweils erste Ring einer Unterabteilung zur Einstellung der
zugeordneten Ziffer der Binärzahl benutzt werden, während für die nachfolgenden
Zahlen die jeweils nachfolgenden, noch unbenutzten Ringe verwandt werden.
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Ein Beispiel möge das erläutern.
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Zur Einstellung der Zahl 7 = Binärzahl 0111, die, wie
schon gesagt, die »Rufnummer« des siebten auszutauschenden Dreipols ist, müssen
demnach der erste Ring der Unterabteilung b (0 = Minus-Impuls) sowie
die jeweils ersten Ringe der Unterabteilungen c, e, g (1 =
Plus-Impuls) verstellt werden. Nach der Verstellung müssen die Kontaktstifte
5 in gleicher Höhe liegen oder, was dasselbe ist, gegenüber der Senkrechten
zur Schaltwalzenachse 15 um den gleichen Winkel verdreht werden. Eine genaue
Einstellung ist mit Hilfe der Strichmarken und der Skalen möglich.
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Sinngemäß verfährt man bei der Programmierung der übrigen Schaltbefehle.
Der zeitliche Abstand tj, t 21 t. usw. der aufeinanderfolgenden Schaltbefehle Kamm,
je nach dem Umfang der Untersuchung und deren Erfordernissen, verschieden
eingestellt sein.
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Den Zahlen sind, wie erwähnt, die auszutauschenden Dreipole zugeordnet.
Werden daher gemäß F i g. 5 die Zahlen 7, 9, 12 usw. abgetastet, so
werden auch die entsprechenden Dreipole VII, IX, XII usw. (F i g. 6) nacheinander
über eine als binärer Rückübersetzer arbeitende Relaisschaltung 20 in das zu untersuchende
Energieübertragungssystem 21 eingeschaltet. In F i g. 6 ist ein derartiges
Energieübertragungssystem 21 mit den zugehörenden binären Rückübersetzer-Relaisketten
22, 23, 24 dargestellt.
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Es sei an dieser Stelle nochmals auf die Bedeutung der Schaltzeiten
tj, t2, t', usw. hingewiesen. So
bedeutet t2, daß der der abgetasteten
Binärzahl 1001 = 9 zugeordnete Dreipol IX während der Zeit t. in dein zu
untersuchenden Energieübertragungssystem hegt und erst mit Abtasten der Binärzahl
1100 = 12 der dieser zugeordnete Dreipol XII an Stelle von IX in das Energieübertragungssystein
eingeschaltet wird. Zwar schlagen die Klappbürsten 16
nur kurzzeitig an die
der Binärzahl 1001 zugeordneten Kontakte und nach Verstreichen der Zeit t.
auch an die der Binärzahl 1100 zugeordneten Kontakte an, aber da die von
ihnen gesteuerten Relais A, B, C, D, wie früher schon
gesagt, nur zwei Ruhelagen aufweisen, bleiben die von ihnen gesteuerten Stromkreise
in der einen Ankerruhelage immer so lange geschlossen, bis der Anker in die andere
Ruhelage geht.
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Im folgenden ist die Wirkungsweise der Programmsteuereinrichtung gemäß
der Erfindung an Hand der F i g. 5 und 6 beschrieben.
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Sobald die Tastarme 4 der mit konstanter Winkelgeschwindigkeit umlaufenden
Kontakteinrichtung die der binären Zahl 1001 = 9 zugeordneten Kontaktstifte
abtasten, erhalten die Relais A, D einen Phisimpuls und die Relais
B und C einen Minusimpuls. Bei der Kontaktgabe schalten nämlich die Tastarme
die entsprechend gepolten Gleichstromkreise der Schaltwalze ein. Den Gruppenrelais
A, B, C, D sind bei der Rückübersetzer-Schaltung
nach F i g. 6 die Unischaltkontakte a, b, c, d
zugeordnet.
Der Kontakt c steuert die Relaiskette 22, der Kontakt b die Relaiskette
23 und der Kontakt a die Relaiskette 24 des binären Rückübersetzers 20. In
der Relaiskette 22 trifft der Kontakt d eine gewisse Vorwahl in bezug auf
die auszutauschenden Dreipole. Alle Relaisketten liegen an gesonderten, entsprechend
gepolten Gleichspannungsquellen (wie eingezeichnet).
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Im an-enommenen Falle der Abtastung der Zahl 1001 =
9 legt das Relais D den Kontakt d in der Relaiskette 22 in
die Plusstellung um. Die Kontakte c, b der Relais C,
B gehen in die Minusstellung, während der Kontakt a des Relais A in die
Plusstellung geht. Damit sind auch die Kontakte c., c" b" bis b. und
a. bis a, der Relais C., Cl, B, bis B, und
A, bis A 7 der einzelnen Relaisketten an Spannung gelegt.
Diese Relais weisen zum Unterschied zu den RelaisA, B, C, D eine mittlere
Ruhelage und zwei Arbeitslagen auf. Der Anker legt sich also aus der Ruhelage entweder
in die Plus- oder Minusstellung, d. h. im Sinne der jeweiligen Erregung,
um.
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Beim angenommenen Schaltbeispiel werden somit die Relais Cl, B2 und
A4 erregt. Die den Relais C"
B, zugeordneten Kontakte cl, b2 gehen
damit in die Minusstellung, der dem Relais A4 zugeordnete in die Plusstellung. Der
dreipolige Kontakt a4 legt den Dreipol IX an die mit dem Energieübertragungssystem
21 an der gewählten Stelle verbundene dreipolige Austauschleitung 25. An
diese bleibt er so lange angeschlossen, bis die dem Dreipol XII zugeordnete »Rufnummer«
1100 = 12 abgetastet wird (vgl. F i g. 5).
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Für die Unteransprüche wird nur im Zusammenhang mit dem Patentansprach
1 Schutz begehrt.