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Verfahren und Einrichtung zur selbsttätigen Geschwindigkeitsreglung
von Kraftmaschinen, insbesondere zum Antrieb von Wechselstromerzeugern, an deren
Verteilungsnetz elektrische Uhren angeschlossen sind Die Erfindung bezieht sich
auf eine selbsttätige Geschwindigkeitsregelung von Kraftmaschinen, die insbesondere
zum Antrieb von Wechselstromerzeugern dienen. Die Einhaltung einer bestimmten Drehzahl
bei Wechselstromerzeugern ist besonders dann wichtig, wenn an das .gespeiste Wechselstromnetz
elektrische Uhren mit Synchronmotorantrieb angeschlossen sind. Es ist bekannt, die
Drehzahl von Elektromotoren mittels einer elektromagnetischen Bremsvorrichtung zu
regeln, die in Abhängigkeit von der Motorgeschwindigkeit und den Schwingungen einer
Normalpendeluhr beeinflußt wird. Die Normalpendeluhr bewegt hierbei mittels ;einer
besonderen Vorrichtung einen Kontakthebel, der mit einer von dem zu regelnden Motor
angetriebenen Kontaktscheibe zusammenarbeitet und mehr oder weniger Windungen des
Bremsmagneten einschaltet. Mittels einer derartigen Einrichtung kann nur eine verhältnismäßig
träge und ungenaue Regelung erzielt werden, da die mechanische Reibung zwischen
Kontakthebel und den Kontakten der Kontaktscheibe sowie zwischen Bremsklotz und
Bremsscheibe Änderungen unterworfen ist und außerdem die elektrische und mechanische
Trägheit des Systems die Regelgenauigkeit stark beeinträchtigt. Es ist auch bekannt,
die Frequenz von Wechselstromnetzen dadurch zu regeln, daß :eine Normaluhr und eine
an das zu regelnde Netz angeschlossene Synchronuhr auf ein Differentialgetriebe
arbeiten, das bei Abweichungen der Netzfrequenz Relais betätigt, die eine Änderung
der Erregung des Antriebsmotors veranlassen. Auch hier wirkt die mechanische Trägheit
und die Reibung des Differentialgetriebes ungünstig auf die Regelgenauigkeit ein.
Es kann auch vorkommen, daß der Gang der Hauptuhr bei zu starker Reibung des Differentialgetriebes
gestört wird.
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Bei dem neuen Regelverfahren -finden keinerlei von der Hauptuhr angetriebene
mnechanische Vergleichsvorrichtungen, wie Differentiale o. dgl., Verwendung, vielmehr
wird die Hauptuhr von jeder Arbeit entlastet, so daß ihr Gang selbst keine Beeinträchtigung
erfährt. Es ist auf diese Weise eine bisher nicht erreichte Regelgenauigkeit bis
zu Bruchteilen von Sekunden möglich.
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Nach dem neuen Verfahren wird die selbsttätige Geschwindigkeitsregelung
der Kraftmaschinen dadurch erreicht, daß Fenster, Blenden o. dgl. photoelektrischer
Zellen in Abhängigkeit von der zu regelnden und von
der Vergleichsgeschwindigkeit
bewegt werden und die Zellen bei Belichtung Relais betätigen, die in an sich bekannter
Weise eine Geschwindigkeitsänderung der zu regelnden Bewegungen in dem Sinne bewirken,
daß wieder Übereinstimmung mit der Vergleichsbewegung herbeigeführt wird. Die hier
zur Anwendung gelangenden photoelektrischen Zellen dienen als reibungslose Relais:
und wirken auf die -Normaluhr in keiner Weise ungünstig ein. Die von den photoelektrischen
Zellen ausgehenden Stromimpulse werden zweckmäßig verstärkt und den eigentlichen
Regeleinrichtungen zugeführt.
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Ausführungsbeispiele der neuen Regelung sind in den Zeichnungen veranschaulicht,
und zwar zeigt Abb. i eine Anordnung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Elektromotors
in Ab-
hängigkeit von einer Pendeluhr, Abb. 2 und 3 Einzelheiten hierzu.
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Abb.4 zeigt die Regelung der Frequenz eines Wechselstromnetzes bzw.
von Nebenuhren durch eine Hauptuhr.
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Gemäß Abb. i ist am unteren Ende des Pendels io eine Platte i i mit
länglichen Spalten 12, 13 vorgesehen. Die Platte selbst ist zweckmäßig so breit
gehalten, daß 'beim Ausschwingen des Pendels ihre Enden nie über den Schwingungsmittelpunkt
hinausgehen. Hinter dem Pendel ist ein fester Schirm 16 mit runden Fenstern 14,
15 angeordnet, mit denen die Spalten i2, 13 beim Durchgang des Pendels durch die
Ruhelage zur Deckung kommen. Zwischen dem festen Schirm 16 und der schwingenden
Platte i i mit den Spalten 12, 13 ist eine rotierende Blendenscheibe 17 angeordnet,
deren Welle 18 über ein Getriebe 19 vom Motor 2o angetrieben wird. Die rotierende
Blendenscheibe 17 besitzt zwei ringsektorförmige Schlitze 12', 13', die sich jeder
über etwa i8o° erstrecken, aber auf verschiedenen Seiten der Scheibe 17 liegen.
Sie haben auch verschiedenen Radius, so daß der Schlitz i2' mit dem Spalt 12 und
dem Fenster 14, der Schlitz 13' mit dem Spalt 13 und dem Fenster 15 zur Deckung
kommen können, wie Abb.2 und 3 zeigen.
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Der Motor 20 ist ein Gleichstrommotor; seine Feldwicklung 21 ist an
eine durch die Batterie 22 veranschaulichte Gleichstromquelle angeschlossen. Der
Ankerstromkreis des Motors 2o ist mit einem veränderlichen Widerstand 23 gekreuzt,
der selbst mit der Gleichstromquelle 22 gekreuzt ist. Der Teil 23' des veränderlichen
Widerstandes, an den die Leitung 24 des Motors-,angeschlossen ist, kann von Hand
aus geregelt werden. Die Leitung 25 des Ankerkreises führt dagegen zu dem automatisch
geregelten Teil des Rheostaten, der in Abhängigkeit von den Gesch"vindigkeitsabweichungen
des Motors vom Pendel sich selbst einstellt. Er besitzt feste Kontakte 26, die mit
verschiedenen Punkten des Widerstandes 23 verbunden sind, ein drehbares Sperrad
27, das mit dem Rheostatarm 28 verbunden ist und auf das Schaltklinken 29 und
30 in entgegengesetztem Sinne wirken können. Die Schaltklinken werden von
magnetischen Relais 31 und 32 bewegt. Das Relais 31 ist an eine Batterie 33 über
eine Verstärkerröhre 34 angeschlossen, die von der photoelektrischen Zelle 35 gesteuert
wird. Zweckmäßig wird eine Hochvakuum-Entladungsröhre, gegebenenfalls mit mehreren
Gittern, verwandt. Ihre Kathode wird von der Batterie 36 geheizt und ist an einem
geeigneten Punkt der Anodenbatterie 33 angeschlossen. Die Anodenplatte 37 ist mit
dem Relais 31 verbunden, während das Gitter 38 über einen Widerstand 39 an die Batterie
33 angeschlossen ist. Der Widerstand 39 ist über eine Batterie 49 auch mit der .photoelektrischen
Zelle 35 verbunden, so daß das Potential des Gitters 38 erhöht wird, wenn die photoelektrische
Zelle 35 von einer Lichtquelle, z. B. einer Lampe 41, belichtet wird. Dann kann
Strom von der Batterie 33 zu Anodenplatte 37 fließen und das Relais 31 betätigen.
Bei unbelichteter photoelektrischer Zelle hat das Gitter 38 eine starke negative
Ladung, so daß kein Strom zur Anodenplatte und dem Relais 31 fließen kann. Das Relais
32 wird in ähnlicher Weise durch eine Verstärkerröhre 42 und eine photoelektrische
Zelle 43 gesteuert, wenn Lichtstrahlen durch das Fenster 15 des Schirmes 16 dringen
können.
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Die beschriebene Einrichtung wirkt in der folgenden Weise: Die photoelektrischen
Zellen sind selbstverständlich derart in einem Gehäuse eingeschlossen, daß sie nur
durch die Fenster 14, 15 Schlitze 12', 1 ;' und Spalte 12, 13 Licht erhalten können.
Die Fenster 14, 15 sind normalerweise durch die Platte i i des Pendels oder durch
die rotierende Blendenscheibe 17 oder durch beide verschlossen. Wie in Abb.2 dargestellt,
liegen dann die Schlitze 12', 13' der rotierenden Blendenscheibe nicht in einer
Linie mit den beim Durchgang durch die Ruhelage vor die Fensteröffnung 14, 15 gelangenden
Spalten 12, 13. Wenn das Pendel io beispielsweise eine Schwingung pro Sekunde ausführt,
muß die Übersetzung zwischen dem Motor 2o und der rotierenden Blendenscheibe 17
so gewählt werden, daß die Blendenscheibe ebenfalls eine Umdrehung pro Sekunde vollführt.
Dieser richtige Gang des Motors kann durch den von Hand aus einstellbaren Widerstand
23' eingeregelt werden.
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Wenn im Betrieb die Geschwindigkeit des
-Motors auch
nur wenig sinkt, bleibt die im Sinne der gezeichneten Pfeile rotierende Blendenscheibe
zurück, und beim Durchgang des Pendels durch die Ruhelage kommt das Ende des Schlitzes
12' noch in eine Linie mit dem festen Fenster 14. und dem Spalt 12 dies Pendels
zu liegen. Dann können für einen Augenblick Strahlen der Lichtquelle 41 auf die
photoelektrische Zelle 35 fallen und Stromimpulse durch die Entladungsröhre 34 zum
Relais 3 i veranlassen. Die Klinke 29 wird dann die Sperrscheibe 27 und den Rhe:ostatarm
28 absatzweise bewegen, wobei Widerstandseinheiten des Rheostaten 23 abgeschaltet
werden. Die Geschwindigkeit des Motors 2o wird dadurch erhöht. Dieses Spiel wiederholt
sich bei jedem Durchgang des Pendels durch die Ruhelage, d. h. also, jede Sekunde,
so oft, bis wieder Gleichgang des Motors mit dem Pendel eintritt und beim Durchgang
des Pendels durch die Ruhelage die relativen Lagen zwischen Pendel, BLendenscheibe
und Fenster auftreten, wie sie in Abb. 2 dargestellt sind. Wenn durch die beschriebene
Regelung die Motorgeschwindigkeit über das normale Maß gesteigert werden sollte,
so kommt der Schlitz 13' der rotierenden Blendenscheihe während des Durchgangs des
Pendels durch die Ruhelage zwischen den Spalt 13 und das Fenster 15 zu liegen und
gestattet den Durchgang der Lichtstrahlen zur photoelektrischen Zelle 43, wodurch
ein Stromimpuls von der Entladungsröhre 42 zum Relais 32 ausgelöst wird, was ein
Wiedereinschalten von Widerstandselementen des Rheostaten 23 und eine Verringerung
der Motorgeschwindigkeit zur Folge .hat.
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In dieser Weise werden entsprechend den geringsten Geschwändigkeitsschwankungen
des Motors Regelbewegungen ausgelöst, so daß im Mittel ein genauer Gleichgang des
Motors mit der Hauptuhr gewährleistet ist. Versuche haben ergeben, daß sich mit
dieser Einrichtung Genauigkeiten bis zu 1/1o Sekunde erreichen lassen, wobei der
Gang der Hauptuhr an sich durch die Regelung nicht im geringsten beeinfiußt wird.
Selbstverständlich kann statt einer Hauptuhr oder eines Pendels für die Vergleichsbewegung
auch irgendein anderes Organ maßgebend sein.
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In Abb. 4. ist die Anwendung der Erfindung zur Frequenzregelung eines
Wechselstromnetzes dargestellt, an das Nebenuhren angeschlossen sind. Die Hauptuhr
45, die photoelektrischen Zellen und Relais stimmen mit den früher beschriebenen
Einrichtungen überein und haben die gleiche Bezeichnung wie in Abb. i ; doch wird
im Gegensatz zu dem früher beschriebenen Beispiel nicht der Ankerstromkreis des
Gleichstrommotors 2o, sondern dessen Feld geregelt. Dann muß auch die Einrichtung
-so getroffen werden, daß der Widerstand 23 verkleinert wird, wenn die Geschwindigkeit
des Motors gesteigert werden muß und umgekehrt. Der Motor 20 treibt eine Synchronmaschine
46, die ein Wechselstromnetz 47 und die daran geschlossenen Nebenuhren 49 mit Strom
versorgt. Statt einer mechanischen Verbindung zwischen dem zu regelnden Motor 20
und der rotierenden Blendenscheibe 17 (wie in Abb. i), ist im vorliegenden Fall
eine elektrische Verbindung vorgesehen. Die Blendenscheibe wird von einem durch
das Wechselstromnetz 47 gespeisten Synchronmotor 48 angetrieben. Sie läuft dann
gleichfalls mit einer Tourenzahl, die in einem festen Verhältnis zur Geschwindigkeit
des Motors 20 steht. Die Nebenuhren 49 werden ebenso wie der Motor 48 in Übereinstimmung
mit der Hauptuhr 45 geregelt, wie früher beschrieben.
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Es hat sich gezeigt, daß die verschiedenen Teile der für die erfindungsgemäße
Regelung vorgesehenen Einrichtung sehr lange Lebensdauer haben und ohne Auswechselung
einen ungestörten Betrieb gewährleisten. Nur die Kathodenfäden können durch Abbrennen
zu Störungen führen. Damit dies rechtzeitig bemerkt wird, kann zweckmäßig in den
Heizkreis der Kathodenfäden ein Relais 5o geschaltet werden, wie Abb. 4 zeigt. Dieses
Relais ist so abgestimmt, daß der normale Heizstrom, der für beide Röhren von der
Batterie 36 geliefert wird, imstande ist, den Schalthebel 51 vom Kontakt 52 entfernt
zu halten. Wenn aber einer der beiden Kathodenfäden abbrennt, dann sinkt die Stärke
des Stromes in der Relaisspule 5o so weit, daß die Feder 53 den Schalthebel 51 zur
Berührung mit dem Kontakt 52 bringen kann, wodurch die Alarmglocke 54 betätigt wird.
Die schadhafte Entladungsröhre kann dann ausgewechselt werden, ohne daß der Motorgenerator
abgestellt zu werden braucht, da während der kurzen Zeit der Auswechselung keine
erhebliche Abweichung von der normalen Frequenz zu befürchten ist. Wenn sich doch
ergeben sollte, daß während der Auswechselung und Untätigkeit der Regelung die Nebenuhren
von der Hauptuhr abgewichen sind, so kann mit Hilfe des von Hand verstellbaren Widerstandes
23' der Fehler leicht korrigiert werden, worauf wieder die selbsttätige Regelung
zur Wirkung kommt.
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Die Regelung nach der Erfindung kann selbstverständlich nicht nur,
wie dargestellt, auf einen elektrischen Motor 2o Anwendung finden, sondern sie ist
auch für jede andere Kraftmaschine geeignet. Es kann z. B. auf diese Weise die Zuführung
-des Arbeitsmittels zur Kraftmaschine gesteuert werden, um deren Geschwindigkeit
gleichmäßig oder in Ablvängigkeil
von einer anderen Bewegung zu
halten.
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Selbstverständlich braucht auch die Vergleichsbewegung keine gleichbleibende
Geschwindigkeit zu haben, sondern sie kann mit beliebig sich ,ändernder Geschwindigkeit
erfolgen.