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Tachometergenerator
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Die Erfindung betrifft einen mehrphasigen Wechselstromtachometergenerator
mit Halbleitergleichrichtern zur Gleichrichtung dervom Generator erzeugten, der
jeweiligen Drehzahl entsprechenden Spannung und mit Mitteln zur Anzeige der Drehrichtung.
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Wechselstromgeneratoren mit Gleichrichtern sind in mancherlei Hinsicht
den Gleichstrom-Generatoren mit Kollektor überlegen, haben aber diesen gegenüber
den Nachteil, daß sie keine Information über die Drehrichtung geben, denn die Polarität
der Meßspannung wechselt nicht bei Anderung der Drehrichtung.
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Da eine solche Information in manchen Fällen erforderlich ist, so
hat man bereits mit dem Wechselstromtachometergenerator einen Gleichstromgenerator
nur zur Richtungsanzeige gekuppelt.
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Das erfordert einmal einen erheblichen Aufwand und führt zum anderen
dann zu keinem Erfolg, wenn bereits eine minimale Drehzahl
in der
falschen Drehrichtung angezeigt werden soll, während andererseits das Gerät z. B.
Drehzahlen von 3000 U/min.
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vertragen soll. Dann soll sich das gewünschte Signal bei einer Drehzahl
von z. B. 1 U/min. noch deutlich vom Nullwert abheben.
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Aufgabe der Erfindung ist die Ausbildung eines mehrphasigen Wechselstromgenerators
derart, daß er auch bei sehr langsamem Lauf in unzulässiger Drehrichtung ein Signal
betriebssicher abgibt. Das Signal soll z. B. in der Lage sein, das Rückwärtslaufen
eines Antriebsmotors nach seinem Abschalten zu verhindern.
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Weiterhin kann das Signal aber auch zur Polaritätsumschaltung der
gleichgerichteten Tachometerspannung benutzt werden, so daß seine Anzeige dann der
eines Kommutator-Tachometergenerators entspricht.
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Erfindungsgemäß ist der einleitend beschriebene Tachometergenerator
gekennzeichnet durch eine an mindestens zwei Phasen des mehrphasigen Tachometergegerators
angeschlossene Signalvorrichtung, die in Abhängigkeit von der Phasenfolge ein von
der jeweiligen Drehrichtung des Generators abhängiges Signal abgibt.
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Im einzelnen sind mindestens zwei Phasenspannungen über schützende
Spannungsteiler Verstärkern zugeführt, die bereits bei minimalen Drehzahlen des
Generators die sinusförmigen Spannungen in Rechteckspannungen umwandeln, und die
Rechteckspannungen einer Phase des Generators sind dem Takteingang und die der anderen
Phase dem Dateneingang eines D-Flipflops zugeführt.
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Für die heute üblichen integrierten Operationsverstärker sind an sich
Eingangs schaltungen mit selbstschützenden Spannungsteilern bekannt, die Spannungsdifferenzen
ohne weiteres aushalten, wie sie bei Tachometergeneratoren auftreten. Mit ihnen
kann bei Anwendung elektronischer Verstärker schon bei minimaler Drehzahl ein brauchbares
Signal erreicht werden. Bei der obengenannten Flipflopschaltung ist der Q-Ausgang
dieses Flipflops "High", z. B. bei Rechtsdrehung, und "Low" bei Linksdrehung. Damit
kann ohne weiteres über eine Leistungsstufe ein Schütz- oder Hilfsmotor so gesteuert
werden, daß eine unerwünschte Bewegung eines Antriebsmotors abgebremst wird, oder
auch ein Kommutator-Schalter für die Tachometerspannung betätigt kann.
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Um den erfindungsgemäßen Tachometergenerator "nullsicher" zu machen,
d.h. zu verhindern, daß beim Auslaufen der Maschine die Operationsverstärker unterhalb
der Ansprechschwelle
in einen nur durch Offsetspannungen bestimmten,
zufälligen Zustand zurückfallen und dadurch ein unbeabsichtigtes Alarmsignal erzeugen,
werden nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung alle drei Phasenspannungen U1,
V1, W1 des Generators einzeln über selbstschützende Spannungsteiler Verstärkern
zugeführt, die bereits bei minimalen Drehzahlen Sinus spannungen in Rechteckspannungen
umwandeln und denen eine zweite kleine Gleichspannung derart aufgeschaltet ist,
daß unterhalb eines Schwellwertes der Meßspannung alle drei Ausgänge der Verstärker
auf definierte Werte springen, z. B.
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alle auf "High", und weiter einmal die Rechteckspannungen aller drei
Phasen einem Stillstandsgatter und zum anderen die zweier Phasen eines D-Flipflop
zugeführt.
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Die "definierten Werte" müssen dabei so sein, daß sie bei vorhandenem
Drehstrom nicht vorkommen können. Die drei Ausgänge sind ihrerseits an ein "Stillstand-Gatter"
angeschaltet, welches nur bei dem beschriebenen definierten Zustand anspricht.
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In dem Beispiel "alle 3 "High" ist es ein Und- oder ein Nand-Gatter
mit drei Eingängen. In diesem Zustand sperrt es die -Ausgabe des Alarmsignals, bis
durch eine Ankerbewegung mindestens ein Verstärkerausgang wieder umspringt.
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Außer an das Stillstandgatter sind natürlich wieder zwei der Rechteckspannungen
wie oben besprochen, in der Grundschaltung an e.in D-Flipflop angeschlossen.
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Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit und unter Ausnutzung der Polaritätsregeln
dreiphasiger Rechtecksignale wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung einem
zweiten D-Flipflop die gleiche Taktspannung aufgeschaltet wie dem ersten.
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Sein D-Eingang dagegen erhält die dritte Rechteckspannung.
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Es muß dann in beiden Drehrichtungen immer den entgegengesetzten Zustand
wie das erste Flipflop aufweisen.
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Durch weitere Logikverknüpfungen kann dafür gesorgt werden, dann daß
nur/ein Ausgangssignal abgegeben wird, wenn beide Flipflops die gleiche Drehrichtung
anzeigen.
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Durch das Stillstandgatter werden die Flipflops bei Stillstand auf
solche Ausgängs gesetzt, die entgegengesetzten Richtungen entsprechen. So wird mit
Sicherheit jedes falsche Signal verhütet.
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Eine Schaltung für einen erfindungsgemäßen Tachometergenerator ist
im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigen:
Fig.
1 einen schützenden Eingangsspannungsteiler, Fig. 2 eine Grundschaltung und Fig.
3 eine Schaltung mit allen Merkamlen der Erfindung.
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In Fig. 1 stellt 1 einen der Phasenspannung U1 eines Tachometergenerators
zugeordneten Operationsverstärker dar. Zwischen der Phasenspannung und seiner Eingangsklemme
2 befindet sich ein aus Widerständen 3 und 4 bestehender Spannungsteiler, der so
berechnet ist, daß auch bei der höchsten vorkommenden Spannung U1 keine überlastung
der Widerstände stattfindet. In diesem Falle wäre jedoch die an der Klemme 2 des
Operationsverstärkers anliegende Spannung so hoch, daß sie ihn zerstören könnte.
Um dies zu verhindern, sind zwei Dioden 5 und 6 so mit den Versorgungsspannungen
+Uo und -Uo des Verstärkers verbunden, daß die an 2 anliegende Spannung den Betrag
der Versorgungsspannung in keinem Fall überschreiten kann.
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In Fig. 2 ist wiederum der Phasenspannung U1 ein Operationsverstärker
1 zugeordnet, wobei der schützende Eingangs-Spannungsteiler als Block 7 dargestellt
ist. Ein gleicher Operationsverstärker 8 und Spannungsteiler 9 ist der Phasenspannung
V1
zugeordnet. Die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 1 und 8 sind so hoch,gewählt,
daß an ihren Ausgängen Rechteckspannungen entstehen, die in Fig. 2 rechts dargestellt
sind. Ihre Flanken entsprechen den Null-Durchgängen der Phasenspannungen U1 und
V1 mit den entsprechenden Phasenverschiebungen. Darunter sind die rechteckigen Verstärker-Ausgänge
U1 und V1 für den Fall gezeichnet, daß der Tachometergenerator sich rückwärts dreht.
Durch die Rückwärtsdrehung sind einmal die Polaritäten umgekehrt, zum anderen läuft
die Phase der Spannung V1 rückwärts der Phase U1 voraus, während sie vorwärts als
V1 der Spannung U1 nachlief.
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Beide Spannungen werden dem Takt- und dem D-Eingang eines D-Flipflops
10 zugeführt. Am Ausgang 11 dieses Flipflop erscheint immer der Zustand, welcher
bei der Aufwärtsflanke der am Takteingang liegenden Spannung am D-Eingang herrschte.
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Änderungen an beiden Eingängen lassen den Ausgang 11 solange unbeeinflußt,
bis die nächst Aufwärtsflanke am Takteingang erscheint. Nun ist leicht aus den Rechteckspannungen
zu ersehen, daß beim Vorwärtslauf die Aufwärtsflanken stets auf den High-Zustand
der Rechteckspannung U1 stießen. Folglich ist der Ausgang 11 des Flipflops 10 bei
Vorwärtsdrehung ebenfalls "High". Bei Rückwärtsdrehung stoßen die Aufwärtsflanken
der Taktspannung V1 immer auf Low-Zustand der Spannung U1, so daß nun der Ausgang
11 des Flipflops "Low" wird.
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In Fig. 3 erscheinen wiederum die bereits in Fig. 2 dargestellten
Verstärker 1 und 8 und Spannungsteiler 7 und 9 der Phasenspannungen U1 und V1. Ihnen
ist nunmehr ein Verstärker 12 mit Spannungsteiler 13 für die Phasenspannung W1 zugefügt.
Weiterhin werden auch die nicht invertierenden Eingänge dieser Verstärker zusätzlich
über Widerstände 14, 15 und 16 mit einer kleinen positiven Spannung versorgt. Dadurch
wird erreicht, daß alle drei Ausgänge der Verstärker positiv (High) sind, sobald
die Phasenspannungen U1, V1 und W1 kleiner sind als die kleine Gleichspannung an
den Widerständen 14, 15 und 16.
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Aus der bekannten Regel, daß die Summe der Augenblickwerte von dreiphasigen
Spannungen immer Null ist, ergibt sich, daß von den drei Rechteckspannungen an den
Ausgängen der Verstärker 1, 8 und 12 immer zwei gleich und eine entgegengesetzt
sein muß. Ein mit den Ausgängen verbundenes Gatter 17 ist ein Nandgatter mit drei
Eingängen. Sein Ausgang ist nur dann "Low", wenn alle drei Eingänge "High" sind.
Es ist leicht zu ersehen, daß dies nur beim Stillstand des Generators der Fall ist,
weshalb es als"Stillstandsgatter" bezeichnet wird.
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Zur Anzeige der Dreh - richtung ist wiederum ein Flipflop 10 mit seinem
Ausgang 11 sowie ein zweites Flipflop 18 mit seinen Ausgängen 19 und 20 vorhanden.
Auch der invertierende
Ausgang 21 des Flipflop 10 ist nun ausgenutzt.
Nach dem zuvor erwähnten Gesetz über die Polarität der dreiphasigen Rechteckspannung
ergibt sich für die Ausgänge 11 und 19 der Flipflops 10 und 18, daß sie bei gleicher
Drehrichtung immer entgegengesetzt sein müssen. Entsprechend sind auf die Ausgangsgatter
22 und 23 immer der invertierende und nichtinvertierende Eingang eines Flipflop
aufgeschaltet. Dadurch sind bei Vorwärtsdrehung die Eingänge von 11 und 20 beide
"High", bei Rückwärtsdrehung die von 21 und 19 kommenden Eingänge des Gatters 23.
Ist nun außerdem auch der Ausgang des Stillstandgatters, der an den auf die dritten
Eingänge der beiden Ausgangsgatter 22 und 23 geschaltet ist, ebenfalls "High" (nicht
bei Stillstand), so kann der Ausgang des mit drei High-Eingängen beaufschlagten
Ausgangsgatters "Low" werden und damit die ihm zugeordnete Drehrichtung anzeigen.
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Da wie erwähnt der Zustand eines Flipflops sich nicht mehr ändert,
wenn keine Aufwärtsflanke an seinem Takt-Eingang mehr erscheint, könnten die beiden
Flipflops 10und 18 auch bei Stillstand zufällig auf einem entgegengesetzten Zustand
stehenbleiben. Dies kann bei dem ersten Umspringen einer Phase danach kurzzeitig
zu einer falschen Drehrichtungsanzeige führen. Deshalb werden die beiden Flipflops
10 und 18 über ihre Clear-Eingänge ebenfalls von dem Stillstandsgatter auf Null
gesetzt.