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Schaltungsanordnung für ein Drehmeldersystem Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltungsanordnung für ein Drelmeldersystem zur Winkelübertragung,
bestehend sus einem Geber und einem oder mehreren Empfängern mit betriebsmäßig gekoppelten
Mehrphasenwicklungen und mit jeweils einer an einer Speisespannung liegenden Einphasen-Wicklung.
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Von den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der bekannten Drehmeldersysteme
ist die Verwendung als Momentdrehmelder wohl die einfachste. Hierbei wird das auf
der Empfangerseite aufgebrachte Drehmoment direkt zur Weitergabe der übertr-agenen
Winkelinformation ausgenützt. Die beiden zusammengeschalteten Momentdrehmeider bilden
also eine elektrische Welle, die allerdings ziemlich torsionselastisch ist. Daher
führt eine Belastung auf der Empfängerseite stets zu einer gewissen Verdrehung zwischen
Empfängerrotor und Geberrotor.
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Ein Drehmelder verbraucht als induktives Bauteil im Normalfall nur
eine geringe Vlirkleistung,- die sich als Erwärmung der Wicklung bemerkbar macht.
Entsteht jedoch zwischen zwei zusa:iimengeschalteten Drehmeldern eine Winkeldifferenz,
so andert sich die Induktivität des einzelnen Drehmelders und damit auch das Verhältnis
zwischen Blindleistung und Wirkleistung.
Bei gleichbleibender Spannung
nimmt die Wirkleistung erheblich zu, ohne daß wesentlich mehr Strom fließt.
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Momentdrehmelder sind im allgemeiner so ausgelegt, daß bis zu einer
Winkeldifferenz von etwa 150 die zulässige Erwärmung nicht überschritten wird. Dies
entspricht dem normalen Einsatz eines Momentdrehmelders. Lenlrt man ihu jedoch weiter
aus, so steigt die Übertemperatur über das zuträgliche Maß, und bei länger anhaltende
Überlastung bremst der Drehmelder durch Gegen die eben beschriebene Überlastung
von Drehmeldern ist bisher kein wirksamer Schutz bekannt. Der Einsatz von Stromsicherungen
bringt keine Lösung des Problemes, da d Strom bei Überlastung des Drehmelders, also
bei. einer Verschiebung von Blindleistung zur Wirkleistung hin, nicht wesentlich
zunimmt. So nimmt der Strom bei einer Auslenkung zwischen zwei Drehmeldern von 900
etwa den doppelten Wert an, während die Wirkleistung etwa auf den 10-fachen Wert
ansteigt. Ein wirkliche Schutz eines Drehmelders vor lastung müßte deshalb nach
dem Wattmeter-Prinzip ausgebaut sein. Solche Sicherungen sind aber nicht handelsüblich,
und die Herstellung derartiger Einrichtungen wäre sehr aufwendig.
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Neben den6benbeschriebenen Fall einer zu großen Auslenkung von Drehmeldern
ist eine Überlastung auch dann möglich, wenn im Störungsfall die Erregung eines
Drehmelders ausfällt.
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wenn also beispielsweise -der Rotor des Empfängers durch einen Leitungsbruch
nicht mehr an das Netz angeschlossen ist, die Statoren beider Drehmelder jedoch
weiterhin mit einander verbunden sind, so muß der Rotor des Gebers die gesamte Erregerleistung
auch für den Empfänger liefern.
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Auch ein solcher Fall kann zum Durchbrennen des noch betriebsbereiten
Drehmelders führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überlastungsschutz
für Drehmelder zu schaffen, der auf einfache und billige Weise herstellbar ist und
in jedem Fall eine zu starke Erwärmung des Drehmelders verhindert. Erfindungsgemäß
wird diese dadurch erreicht, daß mit den Einphasenwicklungen des. üebers und des
Empfängers jeweils ein Kondensator in Reihe geschaltet ist, dessen Blindwiderstand
absolut größer ist als der Blindwiderstand der Wicklung.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der ursprünglich induktive
Phasenwinkel zytischen Strom und Spannung in einen kapazitiven Phasenwinkel verwandelt.
Eine Verkleinerung des induktiven Blindwiderstandes der Wicklung durch Auslenken
des Rotors führt daher nicht mehr zu einer Verkleinerung des Gesamtblindwiderstandes,
sondorn so.ga-r zu einer Vergrößerung des resultierenden, im kapazitiven Bereich
liegenden Blindwiderstandes.
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Für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist natürlich Voraussetzung,
daß bereits im Nullzustand des Drehmelders keine unzulässige Übertemperatur auftreten
kann. Der Absolutwert des kapazitiven Widerstandes des Kondensators muß also soviel
größer sein als der Absolutwert des induktiven Wicklungswiderstandes, daß der resultierende
Blindwiderstand bereits in der Nullstellung wesentlich größer ist als der Wirkwiderstand
der Wicklung. Wie groß dieser Differenzbetrag der Blindwiderstände im Einzelfall
sein muß, hängt also weitgehend vom Wirkwiderstand der Wicklung und von der thermischen
Belastungsfähigkei:t des einzelnen Drehmeldere ab.
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In einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
den Kondensator so zu wählen, daß der Absolutwert seines Blindwiderstandes- genau
doppelt so groß ist wie der Blindwiderstand der in Reihe geschalteten Wicklung bei
Nullstellung des Drehmelders. Für diesen Fall, daß also für eine Rotorstellungsdifferenz
von 0° zwis chen beiden zusammengeschalteten Drehmeldern die Gleichung C
erfüllt
ist, kann da.s Drehmelderpaar unter gleichen Bedingungen unXit gleicher Spannung
wie ohne Kondensator betrieben werden. Der ursprünglich induktive Phasenwinkel zwischen
Strom und Spannung verwandt sich dabei in einen kapazitiven Phasenwinkel von gleicher
Größe. Bei unveränderter Netzspannung bleibt also auch die Spannung am Drehmelder
im Leerlauf erhalten. Wird dieser Drehmelder jedoch soweit ausgelenkt, daß er oline
Schutzschaltung eine zu hohe Ubertemperatur annähme, so bricht die Spannung an der
Wicklung auf einen für den Drehmelder ungefährlichen Wert zusammen. Daraus ergibt
sich eine Begrenzung der aufgenommenen Wirkleistung und des aufgenommenen Stromes.
Der Drehmelder kann also nicht durchbrennen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels beschrieben: Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
für einen üblichen Momentdrehmelder, Fig. 2 den typischen Verlauf von Strom und
Leistung bei Auslenkung eines Drehmelderpaares mit und ohne erfindungsgemäße Schutzschaltung,
Fig. 3 den Strom- und leistungsverlauf bei Auslenkung eines Drehmelderpaares für
den Fall, daß die Erregung eines Drehmelders fehlt.
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Die Fig. 1 zeigt zwei Momentdrehmelder DM1 und DM2 in betriebsmäßiger
Zusammenschaltung. Die Statoren ST1 und ST2 haben jeweils eine dreiphasige Wicklung,
die im Stern zusammengeschaitet ist, während die Rotoren LR1 und LR2 jeweils eine
Einphasenwicklung tragen. Die Rotoren LR1 und IR-2 der beiden Drehmelder liegen
parallel über einen Übertrager UE an einer Netzspannung. Jeder dieser Rotoren induziert
in den
drei Strängen der zugehörigen Statorwicklung Sn bzw. ST2
drei Spannungen, deren Höhe den Drehwinkel charakterisiert; ihre Summe ist gleich
Null. Solange die Winkelstellungen der beiden Rotoren gleich sind, stehen in den
drei Stator-Verbindungsleitungen gleiche Spannungen gegeneinander und es fließen
keine Ströme..Wird jedoch einer der Rotoren verstellt, beispielsweise der Rotor
LR2 um den Winkel A α , so entstehen Ausgleichsströme, die durch magnetische
Kräfte die beiden Rotoren in die gleiche Winkelstellung zu drehen versuchen. Bei
Belastung des zweiten Drehmelders kann eine solche Verstellung ganz oder teilweise
verhindert werden.
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Die verminderte Induktivität der Rotorwicklung führt dann zu einer
Verschiebung von Blindleistung zur Wirkleistung, so daß sich der Drehmelder stark
erwärmt und bei länger anhaltender Überlastung sogar durchbrennt.
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Um eine schädliche Zunahme der Wirkleistung zu verhindern, ist in
den Rotorkreis jeweils ein Kondensator C1 und C2 eingeschaltet. Dieser Kondensator
ist zweckmäßigerweise so bemessen , daß bei einer Rotorstellung die Differenz von
t.
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gleich 0° die Gleichung C 1 = 1 bzw. C 2.= 1 2w2LR1 2 <» LR2 erfüllt
wird. Auf jeden Fall muß aber der Blindwiderstand des Kondensators Cl bzw. C2 wesentlich
größer sein als der absolute Blindwiderstand der zugehörigen Rotorwicklung BR1 bzw.
LR2, so daß auch der resultierende, im kapazitiven Bereich liegende Blindwiderstand
noch um ein Vielfaches größer als der Wirkv,iderstand der Wicklung LR1 bzw. LR2
ist.
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In diesem Fall können die beiden Rotoren mit einer beliebigen Winkelstellungsdifferenz
#α gegeneinander verdreht sein, ohne daß die zulässige Erwärmung überschritten
wurde.
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In gestrichelten Linien ist in der Fig. 1 -ein zweiter Empfanger DM2'
mit einem Stator ST 2' und einem-Rotor LR 2'
eingezeichnet, der
analog zum Empfänger DM 2 mit einem Kondensator C2' gegen Überlastung geschützt
ist.
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In der Fig. 2 ist der typische Verlauf von Strom und Leistung bei
Auslenkung eines zusammengeschalteten Momentdrehmelderpaares dargestellt. Uber der
Auslenkung a cc sind Kurven für Strom und Leistung aufgetragen, Wobei jeweils die
Werte in Nullstellung (Auslenkung t α = O Grad) zu 100 % angenommen sind.
Die Werte für den Strom Ia und die Wirkleistung Pa für ein zusammengeschaltetes
Drehmelderpaar ohne Schutzschaltung sind dabei mit durchgezogenen Linien gezeichnet.
Man erkennt, daß der Strom Ia bei einer Auslenkung von Ao = 900 etwa den doppelten
Wert, die Wirkleistung Pa bei der gleichen Auslenkung etwa den 10-fachen Wert gegenüber
der Nullstellung annimmt. Eine derartig große Auslenkung führt also olme Schutzschaltung
zum Durchbrennen des Drehmelders. Schaltet man jedoch in den Rotor kreis jeweils
einen Kondensator, so ergeben sich die gestrichelten Linien für den Stromverlauf
Ib und den Wirkleistungsverlauf Pb. Man erkennt, daß der Strom Ib nunmehr überhaupt
nicht über den Nullstellungswert ansteigt, und daß die Wirkleistung nur bis etwa
400 geringfügig ansteigt und dann wiederum sinkt. Eine für den Drehmelder schädliche
Erwärmung ist damit ausgeschlossen.
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Die Fig. 3 zeigt schließlich den entsprechenden Strom- und Leistungsverlauf
für den Fall, daß die Erregung eines Drehmelders ausfällt. Über der Auslenkung ax
sind wiederum Strom und Leistung in Prozenten aufgetragen, wobei die Verhältnisse
bei Nullstellung mit 100 ° angenommen werden.
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Die ausgezogenen Linien zeigen wiederum wie in Fig. 2 den Strom Ia
und die Wirkleistung Pa für normal erregte Drehmelder ohne Schutzschaltung. Wird
für einen von zwei zusammengeschalteten Drehmeldern der Erregerstromkreis
unterbrochen,
so fließt über den noch betriebsbereiten Drehmelder ein erhöhter Strom Ic, der allerdings
in allen Stellungen etwa gleich bleibt. Die Wirkleistung Pc im Rotor nimmt bereits
bei Nullstellung etwa den fünffachen Wert gegenüber. dem Normalbetrieb an und verläuft
dann etwa nach einer Sinuskurve mit einem Maximum bei 900 und jeweils einem Minimum
bei 0 bzw. 1800 Auslenkung. Bereits bei Nullstellung kann also die aufgenommene
Wirkleistung in dem einen noch erregten Drehmelder so hoch werden, daß die zulässige
Übertemperatur überschritten wird. Strom und Spannung für diesen Fall der Erregung
nur eines Drehmelders sind. jeweils mit punktierten Liniei argestellt.
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DUrch die erfindungsgemäße Einschaltung eines Kondensators in Reihe
mit der jeweiligen Rotorwicklung erreicht man auch in diesem zulet2t beschriebenen
Fall, daß die Wirkleistung das zulässige Maß nicht überschreiten kann. Mit den gestrichelten
Linien Id und Pd sind die Strom- und Wirkleistungsverhäl,tnisse für einen Betrieb
mit Schutzschaltung dargestellt, wenn die Erregung eines Drehmelders fehlt. Sowohl
der Strom Id als auch die verbrauchte Wirkleistung Pd liegen bei beliebiger Auslenkung
unter den Werten, die im normalen, ungestörten Betrieb in der Nullstellung erreicht
werden.
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Eine unzulässige Erwärmung der Wicklungen ist damit für jeden Pall
ausgeschlossen.
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3 Patentansprüche 3 Figuren