-
Einrichtung für die Drehzahlregelung von Maschinen, insbesondere für
die Frequenzregelung elektrischer Generatoren Es ist bereits vorgeschlagen worden,
zur Steuerung der Drehzahl von Maschinen in den Stromkreis des Reglers zwei in Reihe
geschaltete Kontaktstellen zu schalten, deren eine in Abhängigkeit vom Sollwert
der Drehzahl und deren andere in Abhängigkeit vom Istwert der Drehzahl taktmäßig
geöffnet und geschlossen wird. Bei der bekannten Einrichtung wird durch die Kontaktstellen
ein die Drehzahl der zu regelnden Maschine steuernder Motor geschaltet. Wenn die
Drehzahl der zu regelnden Maschine mit der Solldrehzahl übereinstimmt, dann werden
bei der bekannten Einrichtung die beiden Kontaktstellen immer abwechselnd geschlossen,
d. h. während die eine Kontaktstelle geschlossen ist, ist die andere geöffnet, und
umgekehrt. Der von den Kontakten gesteuerte Verstellmotor erhält daher in diesem
Falle keinen Strom, und eine Regelung findet nicht statt. Sobald jedoch die Drehzahl
der zu regelnden Maschine von dem Sollwert abweicht, stimmt . der Taktrhythmus,
in welchem die beiden Kontakte geöffnet und geschlossen werden, nicht mehr überein.
Infolgedessen tritt der Fall ein, daß beide Kontakte gleichzeitig kurze Zeit geschlossen
sind, so daß also der Verstellmotor Strom erhält und die gewünschte Regelung vornimmt.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei der bekannten . Regeleinrichtung
die einzelnen auf den Verstellmotor gegebenen Stromimpulse zu kurzzeitig sind, und
daß infolgedessen unter Umständen der Verstellmotor gar nicht zum Anlaufen kommt,
wenn die Abweichung der Drehzahl von denn Sollwert nur gering ist. Gemäß der Erfindung
wird daher von den in Abhängigkeit vom Istwert und in Abhängigkeit vom Sollwert
gesteuerten Kontakten ein Relais mit Selbsthaltevorrichtung gesteuert, welches bei
einer Änderung der normalen zeitlichen Verschiebung der Öffnungs- bzw. Schließungszeiten
der Kontaktstellen einen Regelimpuls von ganz bestimmter Dauer abgibt. Zur Durchführung
des Erfindungsgedankens kann man die gesteuerten Kontakte entweder in Reihe oder
parallel schalten.
-
Die Wirkungsweise des Reglers nach der Erfindung sei an Hand der Abbildungen
näher erläutert. Die Abb. r und 2 stellen zwei Prinzipschaltskizzen der bei der
Regeleinrichtung vorgesehenen Kontakte dar. h sind die Kontakte, die taktmäßig in
Abhängigkeit von dem Sollwert geöffnet und geschlossen werden; und g sind die vom
Istwert der Drehzahl abhängigen Kontakte. In Abb. i liegen die beiden Kontaktstellen
parallel. Die Öffnungs
- und Schließungszeiten der beiden Kontaktstellen
sind derart zeitlich gegeneinander versetzt, daß bei richtiger Drehzahl ein dauernder
Strom durch das in dem Überwachungsstromkreis liegende Relais c fließt.
-
Wenn der eine Kontakt geschlossen ist, ist der andere Kontakt geöffnet.
Die Anordnung arbeitet mit Ruhestrom. Ändert sich infolge einer Abweichung der Drehzahl
von dem. vorgeschriebenen Wert der Takt des Kontaktes g, dann treten Zeiten auf,
in denen h und g gleichzeitig unterbrochen sind und der Überwachungsstromkreis keinen
Strom mehr erhält. Das Relais c fällt ab und leitet einen Regelvorgang ein.
-
In der Abb. 2 liegen die beiden Kontaktstellen h und g hintereinander.
Bei richtiger Drehzahl der zu regelnden Maschine ist ständig entweder der eine oder
der andere Kontakt offen. Es fließt infolgedessen in dem Überwachungsstromkreis
normalerweise kein Strom. Tritt eine Abweichung von der richtigen Drehzahl auf,
d. h. ändert sich der Istwert und damit der Takt des von ihm gesteuerten Kontaktes
g, dann gibt es Augenblicke, in denen die Schließungszeiten von lt
und g zusammenfallen
und das Überwachungsrelais c Strom erhält und einen Regelvorgang einleitet.
-
In Abb. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einzelheiten
dargestellt. kI, h II ist ein Kontaktpaar, das in Abhängigkeit von dem Sollwert
der Drehzahl in gleichen Zeitabständen geöffnet und geschlossen wird. Hierfür kann
z. B. eine genau gehende Pendeluhr dienen, die während je einer halben Periode ihrer
Schwingungsdauer die Kontakte h schließt und während der anderen halben Periode
diese Kontakte wieder öffnet. gI, gII sind zwei Kontakte,. die in Abhängigkeit vom
Istwert der Drehzahl geöffnet und geschlossen werden. Sie schleifen auf einer Kontaktscheibe
b, die proportional der Maschinendrehzahl angetrieben wird. Auf dem Umfang der Scheibe
sind Segmente angebracht, die voneinander isoliert sind. In Abb.4 ist eine Abwicklung
der Segmentedargestellt nebst den auf ihnen schleifenden Kontaktbürsten gI, gII.
Die Kontakte hI, hII und gI, gII sind über die auf einer gemeinsamen Welle angeordneten
Kontaktscheiben m3, m4, ms mit den Überwachungsrelais CI und CII verbunden, die
bei richtiger Drehzahl der zu regelnden Maschine dauernd unter Spannung stehen und
die Kontakte CIl und C IIi geschlossen halten. Die anderen in Abb.3 noch eingezeichneten
Teile sind bei der folgenden Beschreibung der Wirkungsweise erklärt.
-
Es sei zunächst angenommen, daß die Maschine ihre richtige Drehzahl
besitzt. Sind die Kontakte hI geschlossen, so fließt sowohl ein Strom von + über
hI, die Kontaktscheibe nas, die Kontaktscheibe m.3, den inneren Schleifring dieser
Kontaktscheibe, den Kontakt CIl, die Wicklung des Relais CI nach -, als auch von
+ über li II, die Kon= taktscheibe m5, die Kontaktscheibe in" den Schleifring dieser
Scheibe, den Kontakt CIIl, die Wicklung des Relais CII nach -. Die beiden Überwachungsrelais
sind somit erregt. Die Kontakte gI, gII sind auf der Scheibe b so eingestellt, daß
sie sich in den Zeiten, in denen die Kontakte h geschlossen sind, in Abb. 4 von
i nach i' oder von 2 nach 2' oder von 3 nach 3' oder von 4 nach 4' bewegen. Die
Pfeihichtung zeigt in Abb. ¢ die Bewegungsrichtung der Kontaktsegmente an. Die noch
mit eingetragenen Bezeichnungen »geschl.« und »offen« beziehen sich auf die Schließungs-
bzw. Öffnungszeiten der Kontakte h. Die Schließungs- und Öffnungszeiten der Kontakte
h sind in dem Beispiel gleich lang. In den Zeiten, in denen die Kontakte la geöffnet
sind, also wenn sich in Abb.4 die Kontakte gI, gII von i' nach 2 oder von 2' nach
3 oder von 3' nach 4 oder von 4.' nach i bewegen, erhalten die Überwachungsrelais
CI, CII ihren Strom über die Kontakte gI, gII. Die Stromkreise verlaufen dann von
+ über die Kontaktscheibe in" deren einen Schleifring, den Schleifring von b nach
dem Segment, auf dem sich die Kontaktbürsten gI,gII befinden, und von hier einerseits
über mg, C I1 und die Wicklung von CI nach - und andererseits über m4, CIIi
und die Wicklung von CII nach -. Die Wicklungen der Überwachungsrelais werden demnach
abwechselnd über die Kontakte h und über die Kontakte g mit Strom versorgt und sind
bei richtiger Drehzahl der zu regelnden Maschine dauernd erregt.
-
Ist die Drehzahl der Maschine zu hoch, so läuft die Scheibe b schneller
wie vorher, und die Kontaktbürsten g I, gII sind beispielsweise schon über die Stelle
:2 der Abb. 4 hinausgekommen, ehe die Kontakte h geschlossen werden. Gleitet die
Bürste gI von dem Segment herunter, ehe die Kontakte h geschlossen sind, so fällt
der Anker des nunmehr unerregten Relais CI ab und schließt den Kontakt CI2. Hierdurch
wird ein Stromkreis von + über CI2, das Steuerrelais dI, die Kontaktscheibe ml,
deren einen Schleifring nach -geschaffen. Das Steuerrelais dI spricht an und schaltet
somit, indem es seine oberen Kontakte schließt, den Motor e ein, der über die Welle
r die Kontaktgeber für die an den Maschinen angebrachten Drehzahlverstellvorrichtungen
betätigt. Hat die Welle y eine Umdrehung vollendet, so werden durch den Endschalter
i die Kontakte f I geschlossen und damit
das Überwachungsrelais
CI über den oberen Kontakt von f I wieder eingeschaltet. Das Relais CI zieht wieder
an und erhält seine Stromversorgung wieder über die Kontakte g und lt. Durch den
unteren Kontakt von f I
wurde gleichzeitig mit der - Einschaltung von CI ein
neuer Stromkreis für das Steuerrelais d I geschaffen, so daß der Motor
e noch eine kurze Zeit eingeschaltet bleibt und der Endschalter nicht auf
denKontakten f I stehenbleibt. Sowie der Endschalter i die Kontakte f I verlassen
hat, ist der Strom für das Steuerrelais dI unterbrochen, es fällt ab und setzt den
Motor e still. Dieser ganze Regelvorgang wiederholt sich, bis die Drehzahl wieder
stimmt. Bei fallender Drehzahl spielt sich der Vorgang entsprechend über die Kontakte
g II, das Überwachungsrelais CII, das Steuerrelais dII und die Kontakte f II ab.
-
Um die Regelung je nach der Größe der Abweichung von der richtigen
Drehzahl sanfter oder energischer zu gestalten, sind die Kontaktsegmente auf der
Scheibe b verschieden lang. Betrachten wir zunächst in Abb. 4 nur denjenigen Teil
der Segmente, auf dem die Kontaktbürste gI schleift, und bezeichnen wir die Entfernung
der ablaufenden Kante des Segments I und dem Punkt r als eine Einheit, so sehen
wir, daß das Segment I um eine, das Segment II und IV um drei und Segment III um
zwei Einheiten jeweils über die Punkte i, 2, 3 und 4 nach rechts hin verlängert
ist. Eilt die Scheibe b gegenüber ihrer richtigen Lage um eine Einheit oder etwas
mehr, aber weniger als zwei Einheiten vor, so wird bei jeder Umdrehung der Scheibe
b nur ein einziger Regelvorgang eingeleitet und jedesmal nur dann, wenn gI von dem
Segment I abgleitet. Beträgt z. B. die Periodendauer des die Kontakte h betätigenden
Mechanismus r Sekunde und die Zeit für eine Umdrehung der Scheibe b 4 Sekunden,
so wird nur alle 4 Sekunden. ein Regelimpuls eingeleitet. Bei den anderen Segmenten
kann der Stromkreis von CI nicht unterbrochen wer-
| in der I. Stufe in jeder I. Sekunde, |
| 8., L, 2., 3. _ |
| _ _ 4. 6., 7. 8., I., 2., 3., 4. _ |
| - - 5. - - - Sekunde. |
Diese Ausführungsform bat den Vorteil, daß die Stufenzahl leicht und schnell geändert
werden kann, wenn die Hebelbewegung beispielsweise durch ein Klinkenschaltwerk von
der Welle der Scheibe b abgeleitet wird.
-
Durch geeignete Wahl der Längenabmessungen der Segmente und der Zwischenräume
kann die Empfindlichkeit der Regeleinrichtung in der gewünschten Weise leicht -eingeden,
da die Kontakte h schon wieder geschlossen sind, wenn gI von dem betreffenden Segment
abgleitet. Ist die Drehzahlabweichung der Maschine größer, beträgt z. B. die Voreilung
der Scheibe b zwei Einheiten, so wird außer dem Segment I auch von Segment III ein
Regelimpuls eingeleitet. Es folgen also alle 2 Sekunden je ein Impuls. Bei noch
größeren Abweichungen erfolgen durch sämtliche Segmente, also jede Sekunde ein Regelimpuls.
In derselben Weise erfassen die auflaufenden Kanten der mit den Kontaktbürsten gII
in Verbindung stehenden Segmentteile eine Nacheilung der zu regelnden Maschine.
-
Wird die Bedingung gestellt, daß die schwächste Regelung nicht alle
4, sondern z. B. alle 8 Sekunden einsetzt, so erhält die Scheibe b 8 Segmente, und
die Verlängerungen der ablaufenden Kanten betragen beim ersten Segment eine Einheit,
beim fünften Segment zwei Einheiten, beim dritten und siebenten Segment drei Einheiten
und beim zweiten, vierten, sechsten und achten Segment vier Einheiten. Die Scheibe
b muß dann so angetrieben werden, daß sie in 8 Sekunden eine Umdrehung vollendet.
Bei diesem und dem in Abb. 4 dargestellten Beispiel erfolgen bei einer bestimmten
Drehzahlabweichung die einzelnen Regelimpulse in gleichen Zeitabständen. Wird auf
diese gleichen Zeitabstände verzichtet, so kann eine Kontaktscheibe mit nur einem
Segment verwendet werden. Die Kontaktbürsten gI und gII werden dann auf einem um
die Achse der Scheibe b drehbaren Hebel angebracht, der innerhalb 8 Sekunden (entsprechend
dem letzten Beispiel) um einen gewissen Betrag hin und her bewegt wird. Dieser Betrag
muß so groß sein wie die Länge, um die bei der Ausführung mit mehreren Segmenten
das längste und kürzeste Segment voneinander verschieden sind. Die Regelung kann
dann z. B. in fünf Stufen gestaffelt sein, findet jedoch nicht in gleichen Zeitabständen
statt, sondern stellt werden, z. B. derart, daß schon bei kleinsten Drehzahlabweichungen
eine entsprechende Nachregelung stattfindet.
-
LTbersteigt die Voreilung der Maschinendrehzahl eine bestimmte Größe,
so daß z. B. nicht nur gI, sondern auch gII von dem Segment abgleitet, ehe die Kontakte
h geschlossen sind, so fallen nacheinander beide Überwachungsrelais CI und CII ab.
Entsprechend
ziehen die Steuerrelais dI und dII nacheinander den
Anker an und setzen dadurch den Motor e wieder still. Die Anker von
d I und
dII sind durch ein Gestänge miteinander verbunden, das einen Ansatz
ytl besitzt. Durch das nacheinander erfolgende Ansprechen von d I und
d II wird ein Zeiger n2 von itl so bewegt, daß n, anzeigt, daß
d I zuerst ängesprochen hat, d. h. daß die Maschine zu schnell läuft. Übersteigt
hingegen die Nacheilung eine bestimmte Größe, so daß die Kontakte h sich dann öffnen,
wenn beide Bürsten gI und gII sich über der Lücke zwischen den Segmenten befinden,
so fallen beide Relais gleichzeitig ab. Der Motor wird stillgesetzt, und der Zeigern,
wird durch das Gestänge itl nach links gedrückt und damit der zu langsame Lauf der
Maschine angezeigt. Man kann die Anzeigevorrichtung n1, 7t2 auch an den Überwachungsrelais
CI und CII anbringen. Nach dem Ansprechen der beiden Steuerrelais ertönt ein Signal,
das in den Stromkreis von -f- über die obersten Kontakte der Steuerrelais, Signal,
Kontaktscheibe ml, deren Schleifring nach - eingeschaltet ist. Das Signal soll den
Schaltwärter veranlassen, den Regler mittels der Schaltwalze k auf Handbetrieb umzuschalten.
Eine solche Umschaltung kann natürlich auch selbsttätig vorgenommen werden dadurch,
daß ein Magnet parallel zu dem Signal geschaltet wird, welcher eine Klinke anhebt
und dadurch die Schaltwalze k freigibt, die dann durch eine Feder in die Stellung
H gedreht wird.
-
Durch die Schaltwalze k werden die Stellungen der Kontaktscheiben
m, bis m, festgelegt. In der Ausschaltstellung A ist die Rückleitung der Steuerrelais
d I und d II und des Signals nach - unterbrochen. In der Mittelstellung
H (Handregelung) werden die Haltekontakte CIl und CIII der Relais CI und CII an
die beiden Druckknöpfe kI und kII gelegt und die --Schiene an die Steuerrelais dI
und dII angeschlossen. Beim Übergang der Stellung A nach Stellung
H werden die Kontakte et, vorübergehend geschlossen, so daß die Überwachungsrelais
CI und CII ansprechen und in dieser Stellung verbleiben, solange die Stromkreise
von + über k1, ms, CI nach - oder über kII, in4, CII nach - mittels k I oder k II
nicht unterbrochen werden. Durch Betätigung von k I wird die Drehzahl der zu regelnden
Maschine verringert, durch kII wird sie vergrößert. Wird die Walze k in die Stellung
S (Selbstregelung) gebracht, so werden die Haltekontakte C Il und CIIl der G`berwachungsrelais
auf die Kontakte g und h geschaltet und die --Leitung des Signals geschlossen. Soll
von Selbstregelung auf Handbetrieb umgeschaltet werden, so wird die Schaltwalze
von S nach H und noch einen Augenblick darüber hinaus nach links gedreht, damit
die Kontakte in, geschlossen werden und die Überwachungsrelais CI und CII ansprechen
und somit wieder betriebsbereit sind.
-
Um bei Handbetrieb anzuzeigen, ob die Maschine auf richtige Drehzahl
eingeregelt ist, dienen die Lampen lI und ZII. Bei der Stellung A oder S der Schaltwalze
k sind die durch die Segmente der Scheibe m5 kurzgeschlossen. Steht die Walze k
auf der Stellung H, so bestehen zwei Stromkreise von über kI, lI, gI bzw. über IHI,
III, gII und die Schleifringe von b und in, nach -. Ist die Drehzahl der zu regelnden
Maschine richtig, so werden beide Lampen während der Zeit des Kontaktschlusses bei
h, in dem obigen Beispiel, also während der Zeit einer 1/2 Sekunde, zweimal aufleuchten,
da in dieser Zeit die Kontaktbürsten g auf der Scheibe b zweimal Kontakt machen.
Läuft die Maschine zu schnell, so fällt zunächst alle q. Sekunden ein Aufleuchten
der Lampe lI aus, bei größerer Abweichung alle 2 Sekunden, und bei noch größerer
Abweichung leuchtet die Lampe in jeder Sekunde nur einmal auf. In derselben Weise
wird bei zu langsam laufender Maschine die Lampe lII weniger oft aufleuchten.
-
Um bei Ingangsetzung des Reglers die richtige Phasenlage zwischen
den Schließungszeiten der Kontakte k und der Kontakte g einstellen zu können, ist
es zweckmäßig, die Scheibe b nicht direkt, sondern über ein Getriebe, beispielsweise
ein Differentialgetriebe, anzutreiben, das eine Phasenverdrehung zwischen Scheibe
und Antrieb zuläßt. Statt dessen kann man auch die Kontakte g verstellbar anordnen.
-
Zur Vermeidung einer Überregelung der Maschine oder um ein weicheres
Arbeiten des Reglers zu erzielen, kann man den Regler noch derart ausgestalten,
daß er den Bereich, innerhalb dessen sich die Abweichung zwischen Ist- und Sollwert
ohne Eingreifen des Reglers bewegen kann, beim Ansprechen elastisch vergrößert und
sodann allmählich wieder verkleinert. Zu diesem Zwecke kann man die Kontakte gI
und gII an einem beweglichen Ring anordnen, der beim Ansprechen der Überwachungsrelais
derart verstellt wird, daß die Maschine in dem Sinne der vorhandenen Abweichung
ihre Drehzahl noch etwas verändern kann, ehe der nächste Regelimpuls einsetzt. Durch
geeignete Mittel muß der die Kontakte g tragende Ring allmählich wieder in seine
Ausgangsstellung zurückgeführt werden.
-
In der Abb. g sind die überwachungsrelais CI und CII so geschaltet,
daß sie mit
Ruheströrn arbeiten, d. h. daß sie bei richtiger Drehzahl
ständig Strom bekommen. Die Kontakte la und g sind dabei parallel geschaltet und
arbeiten so, daß abwechselnd der eine und dann der andere die Stromführung übernimmt.
Will man den ständigen Stromverbrauch der Überwachungsrelais vermeiden, so kann
man sie auch in Arbeitsstromschaltung betreiben. Hierbei muß man die Kontakte lt
und g hintereinanderschalten und so anordnen, daß bei richtiger Drehzahl der Maschine
zu den Zeiten, in denen die Kontakte h geschlossen sind, -die Kontakte g geöffnet
sind, und umgekehrt. Die Überwachungsrelais werden dann in Reihe zu den Kontakten
gesdhaltet und sind bei richtiger Drehzahl der Maschine stromlos. Läuft die Maschine
zu rasch oder zu langsam, so überdecken sich die Öffnungs- und Schließungszeiten
der Kontakte g und la nicht mehr vollkommen, und eines der Überwachungsrelais wird
erregt und schaltet über die Steuerrelais den Motor e ein. Bei dem Arbeiten mit
Arbeitsstromrelais besteht jedoch der Nachteil, daß die Relais bei sehr kurzzeitigen
Erregungsimpulsen nicht zum Ansprechen kommen. Um dies zu vermeiden, kann man die
Kontakte auf das Gitter von Thyratronröhren arbeiten lassen und die Überwachungsrelais
an den Anodenstromkreis der Röhre legen. In einem solchen Falle sprechen die Überwachungsrelais
auch an, wenn der über die Kontakte fließende Stromstoß nur sehr kurzzeitig ist,
da die Thyratrons auch dann den Anodenstrom noch aufrechterhalten, wenn die Zündspannung
vom Gitter wieder weggenommen wird. Der Endschalter i hat dann die Aufgabe, den
Anodenkreis zu unterbrechen. Bei genügend großem Anodenstrom der Thyratrons kann
man die Anoden unmittelbar an die Steuerrelais d anschließen.
-
Handelt es sich um die Drehzahlerregung von Wechselstromerzeugern,
so wird man zweckmäßig die Scheibe b durch einen Synchronmotor antreiben. Hierbei
kann man die Einschaltung dieses Motors derart mit der Schaltwalze k vornehmen,
daß er bei Übergang von der Ausschaltstellung auf Handregelungsbetrieb eingeschaltet
und im umgekehrten Falle ausgeschaltet wird.