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Schaltungsanordnung zur Beseitigung von im Synchronismus hervorgerufenen
Pendelungen der auf eine Steuerfrequenz zu synchronisierenden und elektromotorisch
angetriebenen Welle Bei einer der bekannten Einrichtungen wird ein auf der synchron
zu haltenden Welle sitzender Generator von der Steuerfrequenz erregt und bei Abweichung
von der Solldrehzahl nach oben oder nach unten verzögert oder beschleunigt. Die
aufgewendeten Ausgleichsmomente wirken dabei im Sinne der Wiederherstellung der
Solldrehzahl. Diese technisch im allgemeinen einwandfrei arbeitende Einrichtung
für eine synchrone Regelung stellt jedoch eine verhältnismäßig teuere Lösung dar,
da der Synchrongenerator nebst der Synchronisiereinrichtung für die maximal vorkommenden
Ausgleichsmomente bemessen werden müssen.
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Weiter ist vorgeschlagen worden, die von einem Tachometergenerator
gelieferte, der Drehzahl proportionale Frequenz einem auf die Sollfrequenz abgestimmten
Schwingungskreis unter Verwendung einer Brückenschaltung zuzuführen, wobei die Verstimmung
des Schwingungskreises die erforderlichen Regelmomente zur Auslösung bringt. Diese
Schaltung regelt nicht auf unbedingten Synchronismus. Zur Auslösung der Regelwirkung
ist vielmehr stets eine Abweichung von der Solldrehzahl notwendig. Es handelt sich
hierbei also um eine asynchrone Regelung. Es ist ferner eine Regelanordnung für
elektrische Maschinen bekanntgeworden, bei der elektrische Änderungen, welche einem
Betriebsfaktor einer elektrischen Maschine, z. B. der Drehzahl, entsprechen, über
ein Filter einer Dreielektroden-Gleichrichterröhre aufgedrückt werden, deren Abgabestrom
für die Beeinflussung des besagten Betriebsfaktors ausgenutzt wird. Hierbei ist
eine aus Widerständen und einem Kondensator bestehende Dämpfungsanordnung vorgesehen,
die auf die Gleichrichterröhre zu dem Zwecke rückwirkt, um Pendelerscheinungen beim
Regelvorgang zu vermeiden. - Der Kondensator wirkt dabei als zeitliche Verzögerungseinrichtung,
durch welche die Rückwirkung der Dämpfungsanordnung auf die Gleichrichterröhre verzögert
wird. Die Gleichrichterröhre erzeugt dann der Drehzahl des Motors entsprechende
Ströme, die vor ihrer Ausnutzung zur Regelung des Motors durch Änderung des Erregerstromes
einer Feldwicklung noch über einen Kopplungswiderstand einer aus zwei Dreielektrodenröhren
bestehenden Verstärkeranordnung zugeführt werden. Diese Dämpfungsanordnung wird
ebenfalls für die asynchrone Regelung von rotierenden Einrichtungen verwendet, d.
h. in
solchen Fällen, w_ o es auf_ die absolut genaue Drehzahl nchtsö@
sehr ankommt, sondern Abweichungen in , geringen Grenzen zugelassen sind, wie`sie
z.B. durch Veränderung der Konstanten von Schwingungskreisen bei Erwärmung usw.
bedingt sein können. In diesen Fällen werden durch die Pendelungen, die durch die
Anordnung geeigneter Dämpfungsschaltungen beseitigt werden können, Drehzahländerungen
hervorgerufen.
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Es ist weiterhin ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Drehzahl
umlaufender Wellen, insbesondere zur Aufrechterhaltung der Drehzahl eines von einem
Gleichstrommotor angetriebenen Maschinensatzes, vorgeschlagen worden, der mit einer.
Steuerfrequenz synchron laufen soll. Mit der synchron zu haltenden Welle ist ein
Tachometergenerator starr verbunden, dessen Frequenz in Beziehung zur Steuerfrequenz
gebracht wird. Eine außerordentlich schnell wirkende Regelung wird hierbei dadurch
erzielt, daß die von dem Tachometergenerator hervorgerufenen Wechselströme. und
die Synchronisierwechselströme zusammengesetzt und einer Gleichrichterschaltung
zugeführt werden, wobei in Abhängigkeit von der Phasenlage beider Schwingungen Gleichströme
hervorgebracht werden, die den auf dem Motor angeordneten zusätzlichen Feldwicklungen
übermittelt werden. Zweckmäßig ist es, beide Schwingungen mit einer Phasenverschiebung
von 9o° zusammenzusetzen.
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Durch Versuche hat sich herausgestellt, daß bei dem zuletzt genannten
Verfahren Pendelüngen auftreten können, die- den Synchronismus nach kurzer Zeit
aufheben. Die Ursache ist darin zu erblicken, daß die regelnde Kraft proportional
den Phasenlagen gegenüber einer Mittellage ist. Diese Pendelengen können durch Belastungsstöße
hervorgerufen werden und von selbst wieder abklingen, oder es können sich auf Grund
verschiedener Einwirkungen selbsterregte Pendelschwingungen ausbilden.
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Die Erfindung betrifft nun eine Schaltungsanordnung zur Beseitigung
von im Synchronismus hervorgerufenen Pendelengen der auf eine Steuerfrequenz zu
synchronisierenden und elektromotorisch angetriebenen Welle unter Verwendung einer
Dämpfungsanordnung, bei der die Dämpfungsanordnung aus miteinander gekoppelten Schwingungskreisen
besteht, von denen wenigstens einer auf die von der zu regelnden Welle abgeleitete
Frequenz und ein weiterer auf die Steuerfrequenz abgestimmt ist, in der ein zusätzlicher,
von der Verschiedenheit der Ist- und der Sollstellung abhängiger Strom erzeugt und
in den Synchronisierungsstromkreis eingeführt wird. , Bei der Erfindung handelt
es sich also um das Gebiet der reinen Synchronisierung, wo bereits eine Steuerfrequenz
vorhanden ist und die zu synchronisierenden Einrichtungen, z. B. der Umlauf einer
Welle, in phasenmäßige Übereinstimmung mit dieser Frequenz gebracht werden soll
und Belastungsstöße usw. sich nur in einer zulässigen Phasenverschiebung der beiden
aufeinanderwirkenden Frequenzen of enbaren sollen. Auch hier können, Pendelungen
auftreten, die aber ein gewisses Phasenmaß nicht überschreiten dürfen, da sonst
ein Außertrittfallen der zu synchronisierenden Einrichtungen erfolgt.
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Aus- der Starkstromtechnik ist es bekannt, Pendelungen bei Synchronmaschinen
durch den Einbau von Dämpfungswicklungen oder -leitern zu vermeiden. In vielen Fällen
ist es nun aus wirtschaftlichen Gründen unzweckmäßig oder aus technischen Gründen
nicht möglich, derartige Wicklungen zu verwenden, oder es können die auftretenden
Pendelungen durch solche Wicklungen praktisch überhaupt nicht in den zulässigen
Grenzen gehalten werden. Solche Fälle liegen z. B. bei der Synchronisierung äußerst
kleiner Maschinen oder bei verhältnismäßig starken Belastungsstößen oder bei der
Synchronisierung beliebiger Wellen, die nur die Abnahme eines Kontrollstromes gestatten,
vor. In allen diesen Fällen ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung dazu berufen,
durch verhältnismäßig einfache Schaltungsanordnungen den gewünschten Effekt zu erzielen.
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Ein ganz besonderes Anwendungsgebiet eröffnet sich für die Erfindung
insofern, als es durch diese erst auf verhältnismäßig einfachem Wege möglich ist,
eine Synchronisierung irgendwelcher Einrichtungen auf höhere und höchste Frequenzen
vorzunehmen. Dies gilt besonders in den Fällen, wo schnell umlaufende Wellen zu
synchronisieren sind oder der Phasenwinkel der zu synchronisierenden Welle äußerst
konstant gehalten werden soll. Die Erfindung ist daher für Einrichtungen geeignet,
wo die zu synchronisierenden Einrichtungen nicht miteinander auf elektrischem Wege
verbunden sind, sondern durch empfindliche Frequenznormale örtlich synchronisiert
werden, wie z. B. durch Stimmgabeln, Quarzoszillatoren usw., und wo infolge der
Eigenart dieser Frequenznormale nur höhere Frequenzen hergestellt werden können
und die Teilung dieser Frequenzen nicht erwünscht ist oder Schwierigkeiten bereitet.
Ähnliches gilt für die Synchronisierung bei elektrischen Präzisionsuhren, Fernseheinrichtungen
usw.
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Die Abbildungen zeigen Ausführungsbeispiele von 'Schaltungen, an denen
das Verfahren gemäß der Erfindung veranschaulicht werden soll.
Der
Gleichstrommotor i dient zum Antrieb des Generators 2, dessen Frequenz konstant
gehalten werden soll. Auf der gleichen Welle sitzt ein Tachometergenerator 3 in
Gestalt einer Wechselstrommaschine von verhältnismäßig hoher Periodenzahl. Der Motor
i besitzt drei Feldwicklungen, eine Grundwicklung 4 und die beiden Zusatzwicklungen
und 6, die von den Regulierströmen durchflossen werden. Diese entstehen in einer
Gleichrichterschaltung durch das Zusammenwirken der von der Tachometermaschine 3
erzeugten elektrischen Wechselströme und der von einem Stimmgabelschwinger 7 erzeugten
Ströme. Wenn beide Frequenzen einander gleich sind, so ergeben sich j e nach der
Phasenlage beider Schwingungen zwischen den beiden Sekundärwicklungen der Transformatoren
8 und g. entsprechende resultierende Wechselspannungen, die durch die Gleichrichter
io, 11, 12, 13 in durch die Zusatzwicklungen 5 und 6 fließende Gleichströme umgesetzt
werden. Besteht-z.B. zwischen beiden Schwingungen, bezogen auf die Sekundärseiten
von 8 und 9, ein Phasenunterschied von go°, wie dies in der Abb.2 dargestellt ist,
so ist die resultierende Spannung zwischen den Punkten B und 0 CO +
OB = OF,
zwischen den Punkten A und D CO -@- 0A = DE im Vektorbild.
Die Spannung zwischen den Punkten C und B; die dem Vektor OF entspricht, liefert
einen entsprechenden Gleichstrom durch die Wicklung 5, die Spannung zwischen den
Punkten C und A einen solchen durch die Wicklung 6. Bei go° Phasendifferenz sind
beide Ströme gleich groß und, da die Wicklungen 5 und 6 im entgegengesetzten Sinne
von den Steuerströmen durchflossen werden, heben sich die magnetischen Wirkungen
auf das Feld auf. Wenn die Stimmgabelfrequenz CO gegenüber der go°-Stellung vorauseilt,
wird 0E größer als OF (Abb. 3), wenn sie nacheilt, wird 0E kleiner als 0F
(Abb.4). Im gleichen Sinne ändern sich die Gleichströme durch 5 und 6, und der Gesamtwert
des Feldes steigt entweder an oder fällt, je nachdem, welcheWicklung überwiegt.
Die Änderung des Feldes durch die Änderung der Flüsse durch 5 und 6 würden eine
Induktion in der Hauptwicklung 4 bewirken. Durch das Einfügen eines Entkopplungstransformators
14 wird dieser Einfluß aufgehoben. Um mit geringen Regelleistungen auszukommen,
ist es vorteilhaft, auf dem geradlinigen Teil der Charakteristik des Gleichstrommotors
zu arbeiten.
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Über den Transformator 15 wird von der Tachometermaschine 3 aus die
erfindungsgemäße Dämpfungsanordnung gespeist. Die sekundäre Belastung des Transformators
15 wird gebildet von der einen Wicklung des Transformators 16, dem Kondensator 17
und dem Widerstand i"8: Sie ist abgestimmt auf die Tachometerfreqüenz und durch
den Widerstand 18 stark gedämpft. Mit dem Widerstand 18 ist ein zweiter wenig gedämpfter
Schwingungskreis gekoppelt, der aus dem Kondensator 2o und dem Transformator ig
gebildet wird. Dieser Schwingungskreis ist genau auf die Stimmgabelfrequenz abgestimmt.
Bei Frequenzgleichheit ist die Spannungsdifferenz zwischen der Sekundärseite von
16 und i9 gleich Null, bei Ungleichheit proportional der Frequenzdifferenz und in
gleicher oder entgegengesetzter Phase mit 0A, j e nachdem die Frequenz des Tachometergenerators
3 nach oben oder nach unten von der Stimmgabelfrequenz abweicht. Die der Frequenzdifferenz
proportionale Spannung wird durch die Röhre 21 verstärkt und über den Transformator
24 dem Gitter der die Stimmgabelfrequenz verstärkenden Röhre 22 zugeführt. Hierbei
ist die Schaltung so zu treffen, daß der Anodenkreis der Röhre 2 i rein ohmisch
belastet ist, was durch Parallelschaltung eines Abstimmkondensators zur Primärwicklung
des Transformators 24 oder durch Parallelschaltung eines Ohmschen Widerstandes zur
Sekundärwicklung des Transformators 24 geschehen kann. Auf diese Weise üben die
Übertragungselemente auf die Phasenlage der Dämpfungsspannung keinen Einfluß aus.
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Der durch den Kondensator 2o, den Transformator i9 und einen Teil
des Widerstandes 18 gebildete Schwingungskreis kann mit dem gleichen guten Erfolg
durch einen elektromechanischeriSchwingungskreis,beispielsweise einen elektrisch
erregten Stimmgabelgenerator, ersetzt werden.
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Eine andere Form der Gleichrichterschaltung ist in Abb. 5 dargestellt.
Die von der Tachometermaschine kommende Frequenz wird dem Transformator 25 zugeführt,
mit dessen Mitte die Sekundärwicklung des primär mit der Stimmgabelfrequenz erregten
Transformators 26 verbunden ist. Die funkte A, 0, B und C entsprechen den
gleichen Punkten in dem Schaltblid nach Abb. 1 sowie den Spannungsendpunkten in
den Vektorbildern. Die von den beiden Gleichrichteranordnungen 27 und 28 in Gleichströme
umgesetzten Wechselspannungen werden wieder über den EntkopplungstransformatOr 14
den Zusatzwicklungen 5 und 6 zugeführt.