DE643935C - Einrichtung zur stetigen Regelung der Frequenz von Wechselstromquellen unter Benutzung einer auf dem Prinzip des Thompson-Effektes beruhenden Vorrichtung - Google Patents

Description

Zur stetigen Regelung der Frequenz von Wechselstromquellen wurden bisher umlaufende Regelapparate (Pendelregler) verwendet. Bei solchen Reglern sind große Massen in dauernder Bewegung, die beim jedesmaligen Ansprechen des Reglers beschleunigt werden müssen. Diese Regler haben daher den Nachteil, daß die Regelung zu langsam erfolgt.

Es" sind ferner bereits Vorrichtungen bekannt, die auf dem Prinzip des Thomson-Effektes beruhen und die als Frequenzrelais Verwendung finden. Hierbei werden Schaltwerke unter dem Einfluß von Kräften verstellt, die zwischen einer auf einem Eisenkern aufgebrachten, mit Wechselstrom über einen Schwingungskreis gespeisten Primärspule und einer den Eisenkern umschließenden und auf ihm verschiebbaren, in sich geschlossenen Sekundärspule auftreten. Die zur Betätigung der Schaltwerke dienende bewegliche Spule des bekannten Frequenzrelais wird von der Primärspule abgestoßen, wenn dieser ein Wechselstrom mit einer der Eigenfrequenz des Schwingungskreises entsprechenden Wechselzahl zugeführt wird. Dieses Frequenzrelais spricht also nur auf eine bestimmte Frequenz an.

Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zur stetigen Regelung der Frequenz von Wechselstromquellen unter Benutzung einer auf dem Prinzip des Thompson-Effektes beruhenden Vorrichtung, bestehend aus einer auf einem Eisenkern aufgebrachten, mit Wechselstrom gespeisten Erregerwicklung und einer den Eisenkern umschließenden und auf ihm verschiebbaren, in sich geschlossenen Sekundärspule, bei der erfindungsgemäß die Erregerwicklung unmittelbar mit Wechselstrom von der zu regelnden Frequenz gespeist und die im Mittelpunkt des Eisenkernes drehbar gelagerte und mechanisch mit dem Regelorgan verbundene Sekundärspule über einen Kondensator kurzgeschlossen wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch in Fig. 1 und 2 dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Resonanzkurve des Reglers. In der Zeichnung bedeutet ι einen lameliierten Eisenring mit einem Luftspalt 11. Auf dem Eisenring sitzt fest die Erregerspule 2, die aus einer Wechselstromquelle mit einem Strom von der Frequenz/ gespeist wird. Mit 3 ist die Sekundärspule bezeichnet, die beweglich auf dem Eisenring 1 angeordnet ist und auf der in dem Mittelpunkt des Eisenringes drehbar gelagerten Achse 12 festsitzt. Die Spule 3 ist über den Kondensator 6 kurzgeschlossen und bildet mit diesem einen Schwingungskreis. Auf der Achse 12 sitzt das Regelsystem, ζ. B. ein Wälzsektor 9, der auf dem Widerstand ι ο sich abwälzt, der in dem Stromkreis des Antriebsgleichstrommotors 20 des den Wechselstrom mit der Frequenz / abgebenden Generators 21 liegt. Auf der Achse 12 sitzt noch eine Spiralfeder 7 und ein Zeiger 8, der über

eine Skala gleitet. Mit 4 ist ein Blechpaket zur Veränderung des Luftspaltes bezeichnet, das mittels der Schraube 5 verstellt wird.

Zur Erzielung des mit dem Erfindungs-jj gegenstand angestrebten Zweckes der stetig_etv Schnellregelung der Frequenz von Wechsel-

Lage so lange, bis sie die der neuen Frequenz entsprechende Resonanzlage eingenommen hat. Berücksichtigt man zunächst die Feder 7 nicht, dann wird sich die Spule 3 entsprechend obiger Erläuterung für jede Frequenz der Wechselstromquelle in eine ganz bestimmte Lage einstellen. Das Regelsystem 9 verstellt dabei den Widerstand 10, wodurch die Energieabgabe an die Wechselstromquelle so lange verändert wird, bis sich wieder die gewünschte Frequenz ergibt. Dieser Frequenzregler ist vollkommen unabhängig von der Kurvenform des Erregerstromes in der Spule 2, denn er spricht nur auf die Grundwelle der Erregerspannung an, weil ja die induktivität der Spule 3 und der Kondensator 6 nur mit der Grundfrequenz in Resonanz sind.

Stromquellen wird der bekannte Thompson-■■' Effekt benutzt, der auf den zwischen den Spulen 2 und 3 auftretenden elektrodynamischen ίο Kräften beruht, die jenachderLagederSpule3 gegenüber der Spule 2 abstoßend oder anziehend wirken können, wobei es dazwischen eine Gleichgewichtslage gibt, in der keine Kräfte auftreten. Sind nämlich die Induktivität der Spule 3 und die Kapazität (> mit der Frequenz / der Wechselstromquelle in Resonanz, dann ist der Strom in der Spule 3 um 90^J gegenüber dem Strom in der Erregerspule 2 verschoben. Es tritt dann keine Kraftwirkung zwischen den beiden Spulen auf, d. h. die bewegliche Spule 3 bleibt in ihrer Lage gegenüber der Spule 2 stehen. Verschiebt man die bewegliche Spule 3 aus ihrer Lage heraus, so ändert sich die Kraftlinienzahl, die durch diese Spule hindurchtritt, d. h. die Induktivität der bewegten Spule wird eine andere, und es besteht nicht mehr Resonanz zwischen der Induktivität der Spule 2 und der Kapazität 6 mit der Frequenz /. Je nachdem die Induktivität gegenüber dem früheren Wert zu- oder abgenommen hat, wird in der Spule 3 ein Strom fließen, der gegenüber dem Strom in der Erregerspule 2 die Phasenverschiebung Null oder i8o^: aufweist. Es tritt nun eine Anziehung bzw. Abstoßung der beweglichen Spule ein, und diese Bewegung dauert so lange, bis die Spule 3 wieder in Resonanzstellung steht. Der gleiche Effekt tritt natürlich auch dann auf, wenn nicht die Spule von Hand aus der Resonanzlage herausbewegt wird, sondern wenn die Frequenz / sich ändert. Die bewegliche Spule verändert ihre Wählt man die Induktion des Eisenringes 1 schwach, so daß er im geradlinigen Teil der Magnetisierungskurve arbeitet, so ist der '.Regler in weiten Grenzen spannungsunabf^ngig, denn bei Änderung der Spannung an 'der Erregerspule 2 wird dann, wie vorher erläutert, die Induktivität der Spule 3 nicht geändert, so daß die Stellung der Spule 3 von der Erregerspannung der Spule 2 weitgehend unabhängig ist.

Der bisher beschriebene Regler ist statisch, d. h. jeder Frequenz entspricht eine ganz bestimmte Stellung der beweglichen Spule 3. Zur Veränderung dieser Statik muß die Änderung der Induktivität der Spule 3 pro Einheit des Verdrehungswinkels eingestellt werden. Dies kann bei der Anordnung nach Fig. 1 durch Veränderung des Luftspaltes mittels des Eisenstückes 4 und der Schraube 5 difchgeführt werden. Soll die Frequenz, auf die der Regler regelt, geändert werden, so braucht nur die Kapazität 6 auf einen andern Wert gebracht zu werden.

Der Regler hat in der Resonanzlage der Spule 3 kein Drehmoment, sondern erst dann, wenn die Spule 3 und damit das Drehsystem des Reglers aus dieser Lage herausgebracht wird. Dieser Mangel kann behoben werden, wenn man den Regler außerhalb der Resonanzlage arbeiten läßt. Normalerweise befindet sich der Regler im Punkt B der in Fig. 3 dargestellten Resonanzkurve r des Reglers im Gleichgewicht. Diese Resonanzkurve r stellt beispielsweise die Spannung am Kondensator 6 dar. Trägt man die für andere Stellungen der Spulen gültigen Drehmomente auf, so ergibt sich die Drehmomentkurve d. Wie die Resonanzkurve zeigt, ist der Punkt B nicht so einwandfrei bestimmt, wie z. B. der Punkt C. Der Regler wird daher vorteilhaft so eingerichtet, daß er im Punkt C arbeitet. Diesem Zweck dient die in Fig. 1 vorgesehene Feder 7, die dem Regler ein Anfangsdrehmoment gibt. Der Regler wird sich dann im Gleichgewicht befinden, wenn elektrisches Drehmoment und Federdrehmoment entgegengesetzt gleich groß sind. Durch Einstellung der Spannkraft der Feder wird die Nullstellung des Reglers entsprechend Punkt C eingestellt. Durch diese Feder 7 wird aber der Regler spannungsabhängig, d. h. die Stellung der Spule 3 ist für verschiedene Spannungen an der Erregerspule 2 verschieden.

Um diese Spannungsabhängigkeit zu beheben, kann man gemäß Fig. 2 auf dem Eisenkern ι eine zweite bewegliche Spule 3⁰, die ebenfalls über einen Kondensator 6 kurzgeschlossen ist, anbringen. Die beiden beweglichen Spulen 3, 3" sind auf der Achse 12 nicht mehr fest, sondern mittels Hülsen 13, drehbar gelagert. Auf der Achse 12, die

den Regler 9, ίο betätigt, sitzt fest eine zusätzliche Stange 15, auf der eine Muffe 16, die über Lenkerstangen 17, ij^a mit den Spu-, len 3, 3^a verbunden ist, nach Art eines Zentrifugalreglers gleiten kann. Zwischen der Stange 15 und den Spulen bzw. ihren Stützarmen gegen die Hülsen 13, 14 sind Federn 7, 7" angeordnet, die bei einem bestimmten Spannungswert der Wechselstromquelle und einer bestimmten Frequenz / entsprechend gespannt sind. Diese Federn selbst ' besitzen eine solche Vorspannung, daß die Spulen 3, 3° in den Punkten A und C der Resonanzkurve arbeiten. Beide Spulen 3, 3⁰ sind, wie vorher erläutert, bestrebt, die der Frequenz / entsprechende Resonanzlage einzunehmen, wobei sämtliche Teile die in Fig. 2 ausgezogen gezeichnete Lage I einnehmen. Ändert sich die Spannung der Wechselstromquelle, so ändern sich die Drehmomente der Spulen in gleichem Maße, wobei die Muffe 16 auf der Stange 15 gleitet. Die Achse 12 bleibt dabei unverändert in der Stellung I stehen, und der Regler 9, 10 wird nicht verstellt.

Ändert sich dagegen die Frequenz f der Wechselstromquelle, dann wird für die eine Spule das elektrische Drehmoment zu-, für die andere aber abnehmen. Die Spulen 3, 3" mit der Stange 15, den-Lenkern 17, 17°, den Fedem 7, 7^a bewegen sich als Ganzes in die gestrichelt gezeichnete Stellung II.

Dieser Regler besitzt den Vorteil völliger Unabhängigkeit gegen Spannungsschwankungen und großer Ansprecnempfmdlichkeit.

Anstatt wie in Fig. 2 dargestellt, zwei gegeneinander bewegliche Spulen auf einem ringförmigen Eisenkern mit einer Erregerspule anzuordnen, ist es ohne weiteres möglich, zwei getrennte Eisenkerne mit je einer festen Erregerspule und je einer beweglichen, über einen Kondensator kurzgeschlossenen Spule zu verwenden und die beweglichen Spulen in ähnlicher Weise, wie in Fig. 2 dargestellt, zu verbinden.

Der Wälzsektorregler 9, 10 kann durch eine andere Riegelvorrichtimg ersetzt werden, z. B. kann die Energieabgabe an die Wechselstromquelle durch einen Servomotor erhöht oder erniedrigt werden, der in einem Hilfsstromkreis mit zwei Kontakten liegt, von denen in den Endlagen der Achse 12 immer einer geschlossen wird. Man kann auch den Servomotor mechanisch mit der Achse verbinden.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur stetigen Regelung der Frequenz von Wechselstromquellen unter Benutzung einer auf dem Prinzip des Thompson-Effektes beruhenden Vorrichtung, bestehend aus einer auf einem Eisenkern aufgebrachten, mit Wechselstrom gespeisten Erregerwicklung und einer den Eisenkern umschließenden und auf ihm verschiebbaren, in sich geschlossenen Sekundärspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (2) unmittelbar mit Wechselstrom von der zu regelnden Frequenz (f) gespeist und die im Mittelpunkt des Eisenkernes (1) drehbar gelagerte und mechanisch mit dem Regelorgan (9, ioj verbundene Sekundärspule (3) über einen Kondensator (6) kurzgeschlossen wird (Fig. 1).
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem die Erregerspule tragenden Eisenkern zwei bewegliche Spulen (3, 3") angebracht sind, die je für sich über einen Kondensator kurzgeschlossen und mittels Hülsen (13, 14) auf der mit dem Regelorgan mechanisch verbundenen Achse (12) drehbar gelagert sind, und die ferner mittels Lenkerstangen (17, 17«) an einer Muffe (16) angelenkt sind, die auf einem mit der Achse (12) fest verbundenen Stab (15) gleiten kann, wobei zwischen diesem Stab und den Spulen bzw. ihren Stützen gegen die Hülsen Federn (7, y") angebracht sind (Fig. 2).
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei je für sich über einen Kondensator kurzgeschlossene Spulen auf zwei getrennten Eisenkernen beweglich angebracht sind, und daß die beiden Spulen mittels Hülsen auf der mit dem Regelorgan mechanisch verbundenen Achse drehbar gelagert sind und ferner mittels Lenkerstangen an einer gemeinsamen Muffe angelenkt sind, die auf einem mit der Achse fest verbundenen Stab gleiten kann, wobei zwischen diesem Stab und den Spulen bzw. ihren Stützen gegen die Hülsen Federn angebracht sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Regelcharakteristik in einem Luftspalt (11) des Eisenkernes ein eisernes Zwischenstück (4) verstellbar angebracht ist (Fig. 1).
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Einstellung einer gewünschten Frequenz, auf die der Regler regeln soll, der der beweglichen Spule parallel geschaltete Kondensator in seinem Wert verändert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen