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Einrichtung zur elektrischen Messung der Drehzahl von Maschinen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektrischen Messung der Drehzahl
von Maschinen und zur Darstellung der Schlupffrequenz oder der Frequenz der Speisewechselspannung
einer Asynchronmaschine durch Bildung einer ein- oder mehrphasigen Wechselspannung
mit drehzahlabhängiger Frequenz und drehzahlunabhängiger Amplitude mittels eines
mit der Welle der Maschine gekuppelten Wechselstromgenerators mit einem über Schleifringe
fremderregten Läufer und einem mit einer ein- oder mehrphasigen Wicklung versehenen
Anker, der feststehend oder mittels eines getrennten Antrieb es umlaufend sein kann.
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Es ist bekannt, zur elektrischen Messung der Drehzahl sogenannte
Tachodynamos zu verwenden, die als Gleichstrommaschine mit einem als Permanentmagnet
ausgebildeten Ständer aufgebaut sind.
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Sie erzeugen eine der Drehzahl entsprechende Gleichspannung, die jedoch
insbesondere bei kleineren Drehzahlen keine genaue Messung mehr zuläßt.
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Es ist außerdem eine Einrichtung bekannt, die eine der Drehzahl proportionale
Frequenz mittels einer tonfrequenten Wechselspannung erzielt (schweizerische Patentschrift
317723). Dies wird dadurch erzielt, daß eine Spule auf einem ferromagnetischen Kern
vorgesehen ist, der zusammen mit einem drehbaren Anker über einen nicht konstanten
Luftspalt einen magnetischen Kreis bildet, dessen magnetischer Widerstand sich im
Takt der Drehzahl des Ankers ändert. Die auf dem Kern befindliche Spule wird mit
einer hochfrequenten Wechselspannung gespeist, deren Amplitude mit einer der Drehzahl
des Ankers proportionalen Frequenz moduliert ist.
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Der Nachteil dieser Einrichtung liegt darin, daß ein nicht konstanter
Luftspalt erforderlich ist, was bei der Herstellung des Luftspaltes einen erhöhten
Aufwand bedeutet.
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Außerdem ist eine Einrichtung bekannt, bei der die der Geschwindigkeit
proportionalen Vergleichsgrößen durch die der Maschinengeschwindigkeit entsprechende
Relativbewegung einer Wicklung zu einem Drehfeld von konstanter Größe erzeugt werden
(deutsche Patentschrift 357 530). Die Meßgröße wird also vom Läufer in den Ständer
durch Kraftlinienschnitt übertragen. Der Nachteil dieser Einrichtung liegt darin,
daß bei stillstehendem Rotor keine Spannungen mehr induziert werden können.
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Eine weitere bekannte Einrichtung verwendet zur Messung kleiner Drehzahlen
ein Synchronoskop, dem zwei Spannungen, und zwar die Stator- und Rotorspannung eines
Schleifringläuferasynchronmotors zugeführt werden (deutsche Auslegeschrift 1015
245).
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Da bei dieser Einrichtung die Summen- bzw. Differenzbildung in einem
Synchronoskop vorgenommen wird, ist es nicht möglich, eine der Differenz entsprechende
elektrische Größe zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Drehzahl als eine ein-
oder mehrphasige Wechselspannung darzustellen, deren Amplitude von der Drehzahl
unabhängig, deren Frequenz jedoch eine Funktion der Drehzahl ist. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wicklung des Läufers über die Schleifringe
an eine ein- oder mehrphasige Hilfswechselspannungsquelle angeschlossen ist, deren
Wechselspannung eine relativ zur Drehzahl hohe, dem Mittelfrequenzbereich angehörende
Frequenz und eine konstante oder, im Fall mehrphasiger Spannungen, niedertrequenzmäßig
modulierte Amplitude aufweist, und die Wicklung des Ständers, nötigenfalls über
weitere Schleifringe, mit einer als Rückmodulator mit Siebkreis oder als Diskriminator
ausgebildeten, die Mittelfrequenz der Ankerwicklungsspannungen aussiebenden oder
aufhebenden und damit der Auswertung dienenden Einrichtung an sich bekannter Art
verbunden ist.
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Auf diese Weise werden durch die Einrichtung Wechselspannungen erzeugt,
deren Amplitude frequenzunabhängig, deren Frequenz jedoch eine Funktion der Drehzahl
der Maschine ist. Im einfachsten Fall ist die Frequenz der erhaltenen Wechselspannungen
proportional der Drehzahl der Maschine.
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Die Einrichtung ermöglicht es aber auch im Fall der Anwendung für
den Betrieb einer Asynchronmaschine, durch die erhaltenen Wechselspannungen die
Schlupffrequenz dieser Maschine darzustellen.
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Der Wechselstromgenerator kann nach der Art einer Synchronmaschine
mit einem als Polrad ausgebildeten Läufer oder als Induktionsmaschine mit
Schleifringläufer,
also wie eine Asynchronmaschine aufgebaut sein. Als Antrieb des nötigenfalls umlaufenden
Ankers ist eine Antriebsmaschine vorzusehen, die mit einer vorgegebenen Drehzahl
betrieben werden kann.
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Die Ausbildungsmöglichkeiten des Gegenstandes der Erfindung sollen
durch die in F i g. 1 bis 5 dargestellten Anordnungen veranschaulicht und durch
die zugehörigen Kurvenbilder erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Darstellung der Drehzahl der Welle
einer Maschine durch eine ein-oder mehrphasige Wechselspannung mit konstanter Amplitude
und drehzahlproportionaler Frequenz. Die mit 1 bezeichnete Maschine ist als eine
Asynchronmaschine angenommen, deren Ständer aus einem Drehstromnetz R S T gespeist
ist. Die Einrichtung zur Drehzahlmessung besteht aus einem als Synchronmaschine
aufgebauten Wechselstromgenerator 2 mit einem zweipolig ausgebildeten Läufer 3,
einem feststehenden Anker, der weiterhin als Ständer 4 bezeichnet ist, und ferner
aus den Einrichtungen zur Läuferspeisung und zur Auswertung der Ständerspannungen.
Der Ständer trägt eine symmetrisch angeordnete Dreiphasenwicklung, an der diese
Ständerspannungen entstehen. Die Erregerwicklung des Läufers 3 wird über Schleifringe5
aus einer Hilfswechselspannungsquelle 6 gespeist, in der mit Anwendung bekannter
Mittel eine beispielsweise rechteckförmige Wechselspannung mit einer konstanten
Amplitude und einer relativ zur Drehzahl hohen, dem Mittelfrequenzbereich angehörenden
Frequenz fh gebildet wird. Unter diesen Umständen soll die durch die Läuferdrehung
hervorgerufene Änderungsgeschwindigkeit des Flusses in den Ständerwicklungen klein
gegen die durch die Wechselspannung bewirkte Fluß änderungsgeschwindigkeit sein.
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Die rechteckförmige Wechselspannung ist in Fig. 2 als Kurvenbild
a dargestellt. Das durch den sich ergebenden Strom erzeugte Erregerfeld des Läufers
induziert in der Wicklung des Ständers 4 sinusförmig modulierte Wechselspannungen,
von denen die Spannung einer Phase als Kurvenbild 6 dargestellt ist. Die Frequenz
der umhüIlenden Sinusspannung ist proportional zur mit n« bezeichneten Drehzahl
der Läuferwelle der Maschine t.
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Die drei Wechselspannungen des Ständers 4 des Wechselstromgenerators
2 sind einer Einrichtung 7 zugeführt, die aus einem Rückmodulator, bei dem die Hilfsfrequenz
nicht dargestellt ist, mit Siebkreis oder aus einem Diskriminator bekannter Art
besteht, durch welche die Mittelfrequenz der Wechselspannungen ausgesiebt oder aufgehoben
wird. Im einfachsten Fall kann die Einrichtung beispielsweise aus einer Gleichrichteranordnung
mit einem Siebkreis bestehen, wobei diese Anordnung eine getrennte Gleichrichtung
der positiven und negativen Halbwellen der Wechselspannungen zulassen soll und der
Siebkreis eine Zeitkonstante besitzt, die groß gegenüber der Periodendauer der Mittelfrequenz
und klein gegenüber der Drehzahlfrequenz ist. Auf diese Weise gibt die Einrichtung
7 Wechselspannungen ab, die sinusförmig sind und deren Frequenz unmittelbar der
Drehzahl na proportional ist.
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Der Läufer 3 des Wechselstromgenerators kann auch mehrpolig, d. h.
2 n-polig (n = 2,3 .,.) ausgebildet sein.
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Eine Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens, die zur Darstellung
der Schlupffrequenz oder des
Schlupfes dienen kann, ist in Fig. 3 schematisch wiedergegeben.
Die mit 1 bezeichnete Maschine stellt wieder eine Asynchronmaschine dar, deren Ständerwicklung
an ein Dreh stromnetz R S T angeschlossen ist. Mit dem Läufer der Maschine 1 ist
der wieder zweipolig ausgebildete Läufer eines Wechselstromgenerators 2 gekuppelt.
Der Anker dieses Generators, der ebenfalls wieder eine symmetrisch angeordnete Dreiphasenwicklung
4 trägt, ist indessen zum Unterschied gegen den Generator in F i g. 1 drehbar ausgebildet.
Die Drehung erfolgt durch eine zweite Welle, die mit einer Antriebsmaschine 9 gekuppelt
ist. Der Läufer kann auch bei diesem Beispiel mehrpolig sein.
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Die Läufererregung des Wechselstromgenerators erfolgt über die Schleifringe
5 auf der ersten Welle durch eine Hilfswechselspannungsquelle 6, die eine rechteckförmige
Wechselspannung einer dem Mittelfrequenzbereich angehörenden Frequenz fh erzeugt.
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Die Wechselspannungen der Ankerwicklung 4 des Generators2 sind über
drei Schleifringe 8 auf der zweiten Welle abgenommen und einer Einrichtung 7 zur
Rückmodelung der Wechselspannungen' zugeführt. Als Ausgangsspannungen dieser Einrichtung
erscheinen wieder Wechselspannungen, aus denen die Mittelfrequenz der Hilfswechselspannungsquelle
6 ausgesiebt oder sonstwie beseitigt ist.
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Ist die Drehzahl der Asynchronmaschine t gleich na, und ist nb die
Drehzahl der Antriebsmaschine 9 des Ankers des Wechselstromgenerators 2, so ist
die Frequenz fy der von der auswertenden Einrichtung 7 abgegebenen Wechselspannungen
iii = (Pla i 60 wobei das -Zeichen oder das +-Zeichen gilt, je nachdem die Drehrichtung
der Antriebsmaschine 9 zur Drehrichtung der Welle der Asynchronmaschine 1 gleich
oder entgegengesetzt ist. Ferner bedeutet p die Polpaarzahl des Läufers 3 des Wechselstromgenerators,
die im vorliegenden Beispiel den Wert p = 1 hat.
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Die Einrichtung nach F i g. 3 läßt verschiedene Anwendungen zu. Bildet
man die Antriebsmaschine 9 als Synchronmaschine aus und speist ihren Ständer mit
derselben Wechselspannung mit den Phasen RST wie die Speisespannung der Asynchronmaschine
1, so liefert die Einrichtung 7 bei einem mitläufigen Antrieb des Ankers des Wechselstromgenerators
2 eine Differenzfrequenz, die ein unmittelbares Maß für den Schlupf der Ansynchronmaschine
1 abgibt.
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Betreibt man hingegen die Antriebsmaschine mit Wechselspannungen
mit einer dem gewünschten Schlupfwert der Asynchronmaschine entsprechenden Frequenz,
und zwar im gegenläufigen Drehsinn, so liefert die Einrichtung 7 Wechselspannungen
einer Frequenz, die bei gleicher Polpaarzahl der beiden Maschinen gleich der Summe
aus der Drehzahl frequenz der Asynchronmaschine und der vorgegebenen Schlupffrequenz
ist.
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Die Notwendigkeit der vorbeschriebenen Einrichtung nach F i g. 3,
den Anker des Wechselstromgenerators drehbar auszuführen, ist jedoch nachteilig
und aufwendig. Dieser Nachteil wird bei einer nachfolgend beschriebenen Einrichtung,
bei der der Anker des Wechselstromgenerators wieder feststehend angeordnet ist,
vermieden.
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Bei dieser Einrichtung, die in F i g. 4 schematisch dargestellt ist,
ist zum Unterschied gegen die Einrichtungen nach Fig.1 und 3 der Wechselstromgenerator
2 nach der Art einer Induktionsmaschine mit einem Schleifringläufer ausgebildet.
Der als Ständer bezeichnete Anker dieser Maschine trägt eine dreiphasige Ständerwicklung.
Die ebenfalls dreiphasige Läuferwicklung 10 ist mit drei Schleifringen 12 verbunden,
über die die Einspeisung einer dreiphasigen Hilfswechselspannung erfolgt. Die von
einer Hilfswechselsp annungsquelle 13 erzeugten Wechselspannungen haben, wie F i
g. 5 erkennen läßt, die gleiche Form wie die in F i g. 2 b dargestellten Wechselspannungen,
die drei Spannungen haben eine symmetrisch versetzte Phasenlage. Die Spannungen
können als niederfrequente Wechselspannungen gebildet werden, die gemäß einer dem
Mittelfrequenzbereich angehörenden Taktfrequenz fit ständig umgepolt werden. In
üblicher Betrachtungsweise sind sie wieder Mittelfrequenzspannungen, deren Amplitude
niederfrequenzmäßig moduliert ist. Infolge der Symmetrie der Phasenlage der Umhüllenden
Ut, U2, U3 dieser Wechselspannungen ergeben sie ein Drehfeld.
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Die Mittelfrequenzspannungen UM sind in Phase.
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Der Ständer des Wechselstromgenerators 2 trägt wieder eine dreiphasige,
symmetrisch angeordnete Wicklung 4. Diese ist an die zur Rückmodelung der induzierten
Ständerspannungen bestimmte Einrichtung 7 angeschlossen.
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Mit der beschriebenen Einrichtung nach Fig.4 erzielt man die gleiche
Spannungsbildung wie bei der Einrichtung nach F i g. 3 mit dem umlaufenden Anker
des Wechselstromgenerators.
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Will man beispielsweise bei einer über Stromrichter betriebenen Asynchronmaschine
eine Speisung mit einer Frequenz vornehmen, die der Summe der aus der meßbaren Drehzahl
na sich ergebenden Frequenz fn und einer vorgegebenen Schlupffrequenz I entspricht,
so kann man die Speisefrequenz der Asynchronmaschine auf die Weise erhalten, daß
man den Läufer des Wechselstromgenerators mit mittelfrequenzmäßig kommutierten Wechselspannungen
speist, deren Umhüllende die vorgegebene Schlupffrequenz, hat. Die Einrichtung liefert
dann drei Wechselspannungen, die nach der Rückmodelung durch die Einrichtung 7 sinusförmige
Wechselspannungen mit der Frequenz In + Is ergeben.