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Verfahren zur Überwachung eines Gleichstrommotors
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mit konstanter Erregung und Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Gleichstrommotors
mit konstanter Erregung. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Schaltungsanordnung enthält einen Gleichstrommotor mit konstanter
Erregung, eine Strommeßstelle mit einem vom Ankerstrom durchflossenen Widerstand
und eine Spannungsmeßstelle am Motoranker sowie ein Stellglied und eine zentrale
Steuereinheit für den Ankerstrom.
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Ein Gleichstrommotor mit konstanter Erregung kann ein Motor mit Permanentmagneten
oder auch ein fremderregter Nebenschlußmotor sein.
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Einbezogen wird ferner in einer besonderen Ausgestaltung eine Schaltungsanordnung
mit einer Impulssteuerung für den Elektromotor.
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Für die Regelung der Drehzahl eines Gleichstrommotors ohne Tachogenerator
ist bereits die Messung der Quellspannung (Gegen-EMK) als Maß für die Drehzahl bekannt.
Bei dieser Messung soll der Motor elektrisch unbelastet sein.
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Eine solche Messung ist bekannt. Sie vermeidet bereits den Aufwand
eines Tachometergenerators. Die Unf:enauiekeit ergibt sich aber dadurch, daß nicht
der Temperaturgang im Motor erfaßt wird. Außerdem werden andere Verluste, wie Übergangsverluste
an den Bürsten etc., nicht erfaßt. Ungenauigkeiten ergeben sich bei Anderung der
Motorbelastung oder aber auch der Temperatur in der Umgebung des Motors, was an
sich die Drehzahl beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Über-(x) wachung
und auch Regelung eines Gleichstrommotors oben angegebener Art ein verbessertes
Verfahren und auch eine Schaltungsanordnung zu schaffen, durch welche auch der Temperaturgang
des Motors und andere Einflüsse, insbesondere gemäß obigen Bemerkungen, mit erfaßt
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem Überwachungsverfahren
durch eine erste direkte Messung der Quellspannung des Motors nach Abklingen des
Motorstromes und eine zweite indirekte Messung der Quellspannung mittels Messung
von Ankerstrom und Ankerspannung sowie durch die Bildung eines Korrekturfaktors
kx als Quotient der indirekt und direkt gemessenen Quellspannung und durch die Einspeisung
des Korrekturfaktors in eine Steuer- oder Regeleinrichtung für den Motor gelöst.
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Der Korrekturfaktor kx entspricht dabei einem Wert kx = UQ indirekt
UQ direkt (x) und Messung von Betriebsgrößen
Dabei ergibt sich unter
Vermeidung von Einflüssen durch elektrische Verbindungen und sich bewegende Teile
eine überraschend einfache Lösung unter Anwendung bekannter Meßstellen, aber mit
ausgewähltem Einsatz.
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In einer vorteilhaften Ausführung in Verbindung mit der Überwachung
der Motorerwärmung ist dabei vorgesehen, daß der Korrekturfaktor hinsichtlich seiner
Werte mit 1 verglichen wird und bei größerem Wert als Maß für die Erwärmung des
Motors ein Signal für eine Wärmeüberwachungsschaltung und/oder Abschalteinrichtung
bildet. Hierbei wird einbezogen, daß das gebildete Signal zweckmäPig lediglich von
dem Wert über 1 ausgeht. Das ist besonders vorteilhaft, weil dann auch eine direkte
Abhängigkeit vorgesehen ist.
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Vorstehende Ausführungen gehen davon aus, daß die Erwärmung des Motors
als Steuer- oder Regeleinfluß ausgenutzt wird, wobei eine zu hohe Erwärmung zur
Abschaltung führt.
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Einbezogen wird aber auch gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform,
daß der Korrekturfaktor mit 1 verglichen wird und bei kleinerem Wert ein Signal
für die Einschaltung zusätzlicher Wärmequellen für den Motor und/oder zugeordnete
Schalteinrichtungen bildet. Dieses berücksichtigt, daß unter ungünstigen Kältebedingungen
ein eregelter Betrieb nicht möglich ist, aber dann eben aufgrund des Motorzustandes
zusätzliche Wärmequellen eingeschaltet werden.
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In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform zur Drehzahlmessung
und/oder -überwachung wird der Xorrekturfaktor als Korrekturmaß für die Drehzahl
mit einem direkten Meßwert der Drehzahl aus Strom und Spannung des Motors vereinigt
und daraus ein Istwertsignal für eine Drehzahlregelschaltung und/oder eine Anzeige
oder eine Drehzahlüberwachung-sschaltung gebildet. Die Vereinigung erfolgt dabei
zweckmäßig durch eine Multlplizierschaltung.
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Der Korrekturfaktor als solcher erfaßt dabei
auch
Einflüsse, die bisher nur mit sehr erheblichem Aufwand eingeführt werden konnten.
Hierbei wird durchaus einbezogen, daß an sich die Messung der Quellspannung bekannt
ist. Eine solche Messung reicht aber für eine erhöhte Genauigkeit, die durch die
Erfindung bezweckt ist, nict aus, so daß der Einsatz des Korrekturfaktors und nicht
der Quellspannung allein maßgeblich ist.
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Die Schaltungsanordnung gemäß obigen Bemerkungen zeichnet sich zur
Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß dadurch aus, daß eine Meßschaltung mit der Spannungsmeßstelle
und mit der Strommeßstelle verbunden ist und durch das Stellglied periodisch eine
Stromunterbrechung einsteuerbar ist, die so bemessen ist, daß der Ankerstrom auf
0 abklingt, und daß in der Meßschaltung eine Recheneinrichtung zur Bildung des Quotienten
der Quellspannung aus der indirekten Messung im Betriebszustand mit Werten aus der
Strommeßstelle und Spannungsmeßstelle und aus der direkten essung im stromfreien
Zustand des Motors angeordnet ist.
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Dieses bezieht nun zwar die direkte Messung der sogenannten Quellspannung
ein, enthält aber die Bildung des orrekturfaktors aus einer in verschiedenen I3etriebszutänden
durchgeführten Messung der Quellspannung, so daß eben dadurch weitergehende Einflüsse
in einfacherer Weise ausgeschaltet werden als bisher. Diese einfachitreise beinhaltet,
daß dabei kein zusttzlicher Aufwand für die Einführung zusätzlicher Meßwerte getrieben
wird. (x) Vorteilhaft sind in der Meßschaltung Speicher für die Speicherung der
direkten und indirekten Quellspannung angeordnet und einer Vergleichsschaltung zugeordnet.
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Dieses zeigt die einfache Ausführung der Erfindung.
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(x) Die Meßschaltung ist entweder Teil einer Anzeigeeinrichtung oder
auch einer Regelschaltung.
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In diesem Zusammenhang wird bemerkt, daß ein Stellglied eingesetzt
werden kann, das auch als Schalter vorgesehen ist, wobei auch eine weitgehend beliebige
Einführung des Ankerstromes, jedoch unter Steuerung dieses Schalters oder Stellgliedes,
vorgesehen ist. In einer an sich bekannten Ausführung mit einer Impulssteuerung
sieht eine besonders bevorzugte Lösung der Erfindung vor, daß die Impulssteuerung
mit einer Frequenz arbeitet, die von Bedingungen des Motors abhängig ist und unter
deren Steuerung der Ankerstrom eine Welligkeit in der Größenordnung von 8 - 10 %
enthält. Hierdurch wird schon eine bestimmte Frequenz angesprochen, die besondere
Vorteile auch im Hinblick auf die Genauigkeit der Meßwerte hat, weil der Temperaturgang
des Motors gut mit erfaßt wird. Abgesehen von der Abhängigkeit von Größen des Motors
ist mit besonderem Vorteil eine Impulssteuerung mit einer Impulsfrequenz in der
Größenordnung von 20 kHz vorgesehen. Hierdurch ergeben sich günstige Werte.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sieht vor, daß in der zentralen Steuereinheit insbesondere periodische Unterbrechungen
in die Pulsfrequenz von einer Länge einsteuerbar sind, daß der Motorstrom abklingt.
Die periodischen Unterbrechungen sind dabei besonders günstig, weil eine einfache
Schaltungsanordnung angewendet werden kann. Nicht ausgeschlossen wird eine willkürliche
Einsteuerung der Unterbrechungen durch Betätigungsschalter. Die Dauer der Unterbrechung
hängt in erster Linie von der Auslegung des Motors ab. Dabei wird zweckmäßig eine
Unterbrechung in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten des Ankerkreises in der Größenordnung
etwa des 8- bis 10-fachen der Zeitkonstanten LA vorgesehen.
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Unter diesem Gesichtspunkt ist in einer besonders
vorteilhaften Ausführung in der zentralen Steuereinheit eine Unterbrechungsschaltung
für die Impulssteuerung vorgesehen und die Unterbrechungsschaltung unter einer Zeitsteuerung
periodisch ein- und ausschaltbar. Eine solche Unterbrechunsschaltung ist einfach
ausführbar durch einen Sperrschalter, der entsprechend gesteuert werden kann.
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Eine weitere zweckmäßige Ausführung besitzt eine Steuerverbindung
von der Unterbrechungsschaltung zur Meßs chaltung zur Steuerung des Zeitpunktes
der direkten Messung der Quellspannung am Ende einer Unterbrechungszeit. Hierbei
kann die Zeitkonstante in Abhängigkeit von einem Zeitsteuerglied eingesetzt werden,
wobei gegebenenfalls unter Anwendung des Zeitsteuergliedes am Ende der Unterbrechungsperiode
die Meßverbindung zur direkten Messung freigegeben wird.
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Es zeigt sich überraschend, daß mit einem solchen .Xorrekturfaktor
nicht nur die Drehzahlmessung und -regelung mit erhöhter Genauigkeit durchgeführt
werden kann, sondern daß vor allem eine Erwärmungskontrolle des Motors unmittelbar
an dessen Komponenten erreichbar ist, ohne daß aufwendige Meßinstrumente angeordnet
werden messen.
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Für die Drehzahlmessung und gegebenenfalls auch zu einer weiteren
Auswertung der Drehzahl auf obiger Grundlage ist in einer bevorzugten Ausführung
die Meßschaltung eine Drehzahlmeßschaltung und das Quotientensignal des Korrekturfaktors
aus der Recheneinrichtung einer zweiten Recheneinrichtung zugeführt, die zugleich
mit dem indirekten Meßwert aus Strom- und Spannungsmessung gespeist ist. Dabei stellt
das Ausgangssignal dieser zweiten Recheneinrichtung einer Ausgangsleitung an dem
Ende der Ausgangsleitung ein korrigiertes Drehzahlsignal dar, wobei das Ende ein
Drehzahlanzeiger ist.
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Zweckmäßig ist eine Verbindung von der Ausgangs leitung mit dem Drehzahlsignal
zur zentralen Steuereinheit, insbesondere einem Regler dieser zentralen Steuereinheit,
verbunden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung sind dem Motor Heizelemente
zugeordnet und von einem Komparator der Meßeinrichtung zwischen den Speichern ist
eine Ausgangsleitung zu den Heizelementen vorgesehen, wobei im Komparator, gegebenenfalls
in Verbindung mit einer Recheneinrichtung, ein Signal zur Einschaltung wenigstens
eines Heizelementes am Motor ableitbar ist. Einbezogen wird dabei auch eine Ausgangsleitung
vom Komparator zu einem Signalgerät und/oder einem Schalter zur Abschaltung des
Motors.
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Eine weitere Verbesserung kann dadurch erreicht werden daß der Widerstand
in der Jtrommtelle ein idertnd mit gleicher Warmecharakteristik wie der Ankerwiderstand
ist. Hierdurch wird schon eine Verfeinerung dadurch erreicht, daß der Temperaturgang
des Ankerwiderstandes eingeführt wird, aber der Korrekturfaktor führt zusätzlich
eine Kcrrektur aufgrund anderer betriebsabhängi£.-er und momentaner Abweichungsgrößen
ein.
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Wenn im Zusammenhang mit der Impulssteuerung in einer zweckmäßigen
Ausführung die Größenordnung von 20 kHz angesprochen ist, dann wird bemerkt, daß
Unterbrechungen beispielsweise auch in einem Zeittakt von 1 Sekunde einsteuerbar
sind.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Blockschaubild
für eine Schaltungsanordnung, Fig. 2 eine Schaltungseinzelheit für eine andere Ausführung
des Stellgliedes in Verbindung mit dem Motor, Fig. 3 eine Ergänzungsschaltung zu
Fig. 1.
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Gemäß Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor 1 mit konstanter Erregung gezeigt.
Die entweder fremderregtenFeldwicklungen oder die als Permanentmagnete ausgeführten
Magnetpole sind nicht näher dargestellt, gehören jedoch zum Motor 1. Der Anker ist
über eine Leitung 2 und ein Stellglied 3 mit einer zentralen Steuereinheit 4 verbunden,
in welcher sich auch ein Regler befindet, um die Steuerung für das Stellglied aufgrund
der Ergebnisse eines Regelkreises nach-zustellen.
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An die zentrale Steuereinheit ist über die Eingangsleitung 5 ein Sollwertgeber
6 angeschlossen. In dieser wird beispielsweise eine bestimmte Drehzahl für den Motor
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vorgegeben. Die zentrale Steuereinheit schließt gleichzeitig
eine Energiequelle fü den Ankerstrom ein, welcher über die Leitung 2 und die Verbindungsleitung
7 zwischen der zentralen Steuereinheit und dem Stellglied angeschlossen ist.
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In der Leitung 2 befindet sich ein Widerstand 8, an welchem eine vom
Strom abhängige Spannungsgröße abgegriffen werden kann. 8 bezeichnet daher eine
Strommeßstelle.
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Der Anker des Motors 1 ist von einer Parallelschaltung 9 mit einer
Spannungsmeßstelle 10 überbrückt, die ein der Ankerspannung entsprechendes Signal
liefert.
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Für die Drehzahlregelung ist eine Drehzahlmeßschaltung 11 angeordnet.
In diese münden eine Funktionsverbindung 12 von der Strommeßstelle 8 und eine Funktionsverbin-dung
13 von der Spannungsmeßstelle 10. In den Anschlüssen sind bei 14 und 15 Tiefpaßfilter
vorgesehen. Diese Anschlüsse sind einerseits durch eine Schaltung 16 verbunden,
in welcher aus den Signalen von der Strommeßstelle 8 und der Spannungsmeßstelle
7 in üblicher Verknüpfung ein der Quellspannung entsprechendes Signal erzeugt wird.
Hierbei geht der Fluß des Motors aufgrund seiner konstanten Erregung als Konstante
ein, so daß das der Drehzahl proportionale Signal aus der Ankerspannung und dem
Ankerstrom zu ermitteln ist, weil der Ankerwiderstand bei dieser Messung auch in
die Konstante eingeht. Hierbei ist die Formel bekannt UA IA . RA k . t k . ¢
Aus
der Schaltung 16 ergibt sich insofern eine indirekte gemessene Meßgröße für die
Quellspannung, die auch der Drehzahl proportional ist und die in einen Speicher
17 geführt wird.
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Aus der Funktionsverbindung 13 bzw. dem Tiefpaß 15 wird ein weiteres
zu einem anderen Zeitpunkt gemessenes Signal in einen Speicher 18 gegeben. Hierbei
handelt es sich um die direkte Messung der Quellspannung bei unterbrochenem Motorstrom.
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Die Einspeicherung kann mit Analogwerten oder Digitalwerten erfolgen.
Dieses wird im Blockschaubild einbezogen.
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Aus einander zugeordneten, d.h. unmittelbar hintereinander gemessenen
Werten wird aus den Speichern 17, 18 in einer Schalteinrichtung 19 ein Quotient
aus UQ indirekt UQ direkt gebildet und ein entsprechendes als kx bezeichnetes Korrektursignal
in eine zweite Recheneinrichtung 39 der Drehzahlmeßschaltung 11 geliefert. Diese
zweite Recheneinrichtung 39 wird entweder direkt aus der Schaltung 15 oder aus dem
Speicher 1{ mit der direkt gemessenen Kenr. rcRe für die Drehzahl zugeführt. Entsprechende
Verbindungen sind in Fig. 1 gezeigt. Diese direkt gemessene Drehzahlgrc.ne wird
in der zweiten Recheneinrichtung durch das Korrektursignal modifiziert und das dann
eine genauere Drehzahlangabe darstellende Signal auf eine Ausgangsleitung 20 der
Drehzahlmeßschaltung geliefert.
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Im Falle einer Regelung auf einen Sollwert, der durch den Sollwertgeber
6 eingestellt ist, wird dieses Signal über die Verbindung 21 in den Regler der zentralen
Steuereinheit als Istwert gegeben, so daß eine Regelung auf eine bestimmte eingestellte
Drehzahl mit außerordentlicher Genauigkeit erreicht wird.
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Die Ausgangsleitung 20 liefert an ihrem Ende 2i ein Spannungssignal,
das der Drehzahl mit erheblicher Genauigkeit entspricht.
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Bei der Ausführung nach Fig. 1 kann das Stellglied 3 ein beliebiger
Schalter sein.
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Bevorzugt wird jedoch eine Ausführung mit einer irnpulssteuerung,
wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Impulssteuerung selbst, vorzugsweise mit
einer Frequenz in der Größenordnung von 20 kliz , ist in der zentralen Steuereinheit
angeordnet. Als Stellglied sind dabei beispielsweise Transistoren 23, 24 angeordnet.
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Die Fig. 2 zeigt zugleich die Möglichkeit der Anordnung der Strommeßstelle
in einer zweipoligen Darstellung mit einer Ankerumschaltung durch ein Hichtungsrelais
25 zwecks A:nderung der Drehrichtung des Motors 1. Die Spannungsmeßstelle 10 zeigt
nur einen Kontakt in bezug zum Masseanschluß.
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Impulssteuerungen sind an sich bekannt. Für wesentlich wird die Größenordnung
der angegebenen Frequenz gehalten.
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In der zentralen Steuereinheit 4 ist symbolisch die Impulssteuerung
26 eingezeichnet. An ihr oder ihrem Ausgang ist eine Unterbrechungsschaltung 27
in Verbindung mit einer Auslöseschaltung 28 angeordnet. Dabei handelt es sich bei
einer periodischen Unterbrechung um eine Zeitsteuerschaltung, die nach vorgegebenen
Zeit abläufen, beispielsweise 1 Sekunde, eine Unterbrechung für die Stromzuführung
einsteuert.
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(x) bzw. einem Anzeigegerät
Von dieser Auslöseschaltung
28 geht eine Steuerverolndung 29 zur Drehzahlmeßschaltung 11. Dies hat den Zweck,
die Schaltung 16 und die Schaltungseinrichtung 19, gegebenenfalls in Verbindung
mit den Speichern 17, 18 so auszulösen, daß am Ende einer Unterbrechung gemäß obigen
Angaben praktisch in stromfreiem Zustand ein Signal von der Spannungsmeßstelle 10
abgenommen, gespeichert und auch ausgewertet wird, ohne daß dieses Signal über die
Recheneinrichtung in den Speicher 17 eingeführt wird.
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Die Ergänzungsschaltung nach Fig. 3 zeigt den Motor 1 mit ihm zugeordneten
Heizelementen 30, 31, 32 sowie eine der Drehzahlmeß-schaltung 11 entsprechende Schaltung
33. In dieser sind entsprechend die beiden Speicher 17, lc angeordnet, in denen
die Signale UQ indirekt und UQ direkt analog oder digital gespeichert sind. Die
Signale aus den Speichern werden einem Komparator 34 zugeführt, in dem sie auch
unter dem Gesichtspunkt der Quotientenbildung dahingehend verglichen werden, ob
ein Wert größer als 1 oder kleiner als 1 vorliegt. Im Falle eines Wertes größer
als 1 wird dadurch ein Signal geliefert, das eine erhöhte Erwärmung des Motors anzeigt.
Eine Ausgangleitung 35 löst bei Überschreiten eines Schwellwertes ein Signalgerät
36 aus oder eine Abschaltung, beispielsweise durch Öffnung eines Schalters 37 im
Bereich der Verbindungsleitung 7.
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Wenn ein Wert kleiner als 1 in der Vergleichseinrichtung 34 ermittelt
wird, wird eine Ausgangsleitung 38 eingeschaltet, die nach Maßgabe der Größenordnung
des Betrages im Bereich kleiner als 1 wahlweise eine oder mehrere der Heizelemente
30 - 32 einschaltet.
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Die Heizelemente sind in ihrer Anordnung lediglich symbolisch gezeigt.
Die Fig. 3 verdeutlicht eine Überwachungsschaltung, insbesondere auch eine Wärmeüberwachunp;
aufgrund der Messung der Quellspannung auf verschiedenmsiegen ohne daß in diesem
Zusammenhang zusätzliche Wärmefühler oder dergleichen notwendig sind. Vorteilhaft
ist dabei insbesondere, daß die innere Warme des Motors aufgenommen wird, und zwar
mit erhöhter Genauigkeit.
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Es versteht sich, daß die Drehzahlregelung und -überwachung sowie
die Wärmeüberwachung kombinierbar sind, was sich leicht aus einer Vereinigung der
Baugruppen 11 und 33 ergibt.
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Eine Annäherung an den Wärmegang des Motors kann dadurch erreicht
werden, daß der Widerstand an der Strommeßstelle 8 ein Widerstand mit einem Wärmeverhalten
ist, daß er sich derartig temperaturabhängig ändert, wie auch der Ankerwiderstand
des Motors 1. Solche Widerstände mit einer bestimmten Wärmecharakteristik sind bekannt.
Sie bestehen beispielsweise auch aus Konstantan.
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Durch die Erfindung wird nicht nur ein Tachometergenerator mit Gewicht,
Platz und Preis eingespart, wenn eine Drehzahlüberwachung oder -steuerung erfolgt,
sondern es werden auch gegenüber bekannten Ausführungen notwendige Kabel, Fehlereinflüsse
verursachende Verbindungen und im Falle einer Wärmeüberwachung spezielle Wärmefühler
eingespart.
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Die Darstellung aus Fig. 1 zeigt vor allem aber auch eine Drehzahlmessung
und die Darstellung nach Fig. 3 am Ende
der Leitung 35 eine Wärmemessung.
Hierbei werden durch die Erfindung Meßeinrichtungen geschaffen, was für wesentlich
gehalten wird.
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L e e r s e i t e