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Einrichtung zur Regelung dei Geschwindigkeit von Gleichstrommotoren,
die über gittergesteuerte Entladungsstrecken aus einem Wechselstromnetz gespeist
werden Die Erfindung betrifft eine Regelung der Geschwindigkeit von Gleichstrommotoren,
die über gittergesteuerte elektrische Entladungsgefäße aus einer Wechselstromquelle
gespeist werden. Zur Regelung hat man bereits die verschiedenartigsten Steuerungen
für die Entladungsstrecken vorgeschlagen. Beispielsweise ist eine Anordnung bekannt,
bei der den Steuergittern eine Wechselspannung zugeführt wird, deren Phasenlage
gegenüber der die Entladungsstrecken speisenden Wechselspannung veränderlich ist.
Bei einer anderen bekannten .Anordnung wird den Steuergittern außer der Wechselspannung
noch eine zusätzliche, der Wechselspannung überlagerte Gleichspannung zugeführt.
Die Regelung dieser zweiten Anordnung kann in zweifacher Weise erfolgen: Entweder
wird die Größe der Wechselspannungskomponente oder die Größe der Gleichspannungskomoponente
verändert. In beiden Fällen ergibt sich eine Verschiebung des Zündzeitpunktes der
Entladungsstrecke. Soll nun eine solche Anordnung beispielsweise zur Geschwindigkeitsregelung
eines Gleichstrommotors verwendet werden, so können irgendwelche mechanisch bewegte
Regelgeräte vorgesehen werden, welche in Abhängigkeit von einer beliebigen Bestimmungsgröße,
beispielsweise in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Motors selbst, auf die
Größe der Wechsel- oder Gleichspannungskomponente einwirken.
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Erfindungsgemäß wird eine einwandfreie und betriebssichere Regelung
der Geschwindigkeit der Gleichstrommotoren, die über gittergesteuerte Gas- oder
Dampfentladungsstrecken aus einer Wechselstromquelle gespeist werden, dadurch erreicht,
daß die Klemmenspannung des Ankers des durch die Entladungsstrecken gespeisten,
vorzugsweise konstant erregten Motors die Höhe der Gleichspannungskomponente der
Steuerspannung selbsttätig beeinflußt, beispielsweise in dem Sinne, daß die Klemmenspannung
selbst gleichgehalten wird. Zusätzliche mechanische Regelgeräte oder zusätzliche
Entladungsstrecken für die Drehzahlregelung werden hierdurch vollkommen vermieden.
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Zur Durchführung der Erfindung werden zwischen der Ankerwicklung des
Motors und der sie speisenden Wechselstromquelle gasoller dampfgefüllte gittergesteuerte
Entladungsstrecken angeordnet, zweckmäßig in bekannter Weise so, daß eine Vollweggleichrichtung
erfolgt.
Die Leitfähigkeit dieser Entladungsstrecken wird zweckmäßig durch einen Brückenstromkreis
beeinflußt, und zwar derart, daß durch diesen an die Steuergitter der Entladungsstrecken
eine Steuerspannung mit einem überlagerten Gleichstrompotential gelegt wird, dessen
Größe mit der Geschwindigkeit des Motors veränderlich ist. Dieses Potential ist
erfindungsgemäß die Spannung der Ankerwicklung des geregelten Motors, die im wesentlichen
der Motorgeschwindigkeit proportional ist, oder es kann von einem besonderen Generator
geliefert werden, der von der Motorwelle angetrieben wird.
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Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt, und zwar
zeigt Fig. i ein Schaltschema für die Regelung eines Gleichstrommotors unter Benutzung
der Ankerspannung als Steuermittel und Fig. 2 ein Vektordiagramin für die Wirkung
des Phasenverschiebungsbrückenstromkreises, der bei Fig. i Anwendung findet; Fig.
3 veranschaulicht die Wirkung der Entladungsgefäße der Regeleinrichtung, die zur
Gleichrichtung und zur Regelung der Größe des von der Wechselstroinquelle der Ankerwicklung
des zu regelnden Motors gelieferten Erregerstromes dienen. Fig.4 gibt ein Schaltschema
für eine zweite Ausführungsform mit einem Hilfsgenerator zur Erzeugung des von der
Geschwindigkeit abhängigen Steuerpotentials wieder.
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Der zu regelnde Motor ist finit io bezeichnet. Er hat eine Feldwicklung
12, die aus einer Gleichstromquelle konstanter Spannung gespeist wird, z. B. aus
einer Batterie 13, und eine Ankerwicklung 15, die durch Gleichrichter 22 und 24
aus einem Wechselstromnetz 17, 18 über einen Transformator 20 gespeist wird. Die
Gefäße 22 und 24 sind gittergesteuerte gasgefüllte Stromrichter. Das Gefäß 22 hat
eine Anode 26, eine Glühkathode 27 und ein Steuergitter 28. Das Rohr 24 hat die
Anode 30, die Kathode 31 und ein Gitter 32. In der dargestellten Schaltung ergeben,
wie bekannt, die Gefäße 22 und 24 eine Vollweggleichrichtung des Wechselstromes,
da jedes der Gefäße in einem Stromkreis angeordnet ist, der. als Energiequelle den
Teil der Sekundärwicklung 35 des Transformators 2o enthält, der auf einer oder der
anderen Seite der Mittelanzapfung 37 der Transformatorwicklung liegt.
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Die Stromrichter 22, 24 sind bekanntlich nur in einer Richtung stromdurchlässig,
nämlich von der Anode zur Kathode. so daß ein Stromdurchgang nur während der positiven
Halbwelle des speisenden Wechselstromes erfolgen kann. Bei der Schaltung gemäß Fig.
i gibt das Gefäß 22 Strom durch die Motorankenvicklung 15 während der einen Halbwelle
des Wechselstromes, während das Gefäß 24 den Strom während der anderen Halbwelle
zur Ankerwicklung gehen läßt.
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Damit ein gittergesteuertes gasgefülltes Entladungsgefäß in seinem
Hauptstromkreis Strom führt, ist es bekanntlich notwendig, daß das Steuergitter
auf ein Potential gebracht wird, das einen gegebenen kritischen Wert übersteigt.
Diese kritische Steuerspannung ist in Fig. 3 durch die Kurve Ex dargestellt, während
Ep die Spannung angibt, die an den Anoden der Entladungsgefäße liegt.
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Die Kurve Er gilt für quecksilberdampfgefüllte Glühkathodenröhren,
die bekanntlich so arbeiten, daß, wenn das Gitter bis zu einem gewissen Grade während
der ganzen Periode negativ ist, ein Stromübergang zwischen den Hauptelektroden nicht
stattfinden kann. Steigt jedoch das Gitterpotential auf den kritischen Wert, der
durch die Kurve Ex angegeben ist, so geht während des verbleibenden Teiles der positiven
Halbwelle Strom durch das Entladungsgefäß. Wenn also die Lage einer Stenerspannungswelle
derjenigen der Kurve Eg in Fig. 3 entspricht, so erfolgt ein Stromübergang von der-Anode
zur Kathode der Röhre während des schraffierten Teiles der positiven Halbwelle.
Wie ersichtlich, kann der Beginn des Stromüberganges dadurch verändert werden, daß
der Schnittpunkt der Gitterpotentialkurve Eg mit der Kurve E, für die kritische
Spannung verschoben wird. Zur Steuerung des Gitterkreises ist ein Brückenstromkreis
4o vorgesehen, der zwischen der Wechselstromquelle 17, 18 und den Steuergittern
der Entladungsgefäße liegt. Die Brücke 4o wird unmittelbar von der Hauptstromquelle
17, 18 aus gespeist und dient dazu, die. Phasenlage der Steuerspannung, die den
Gittern der Gefäße 22, 24 aufgedrückt wird, um einen gewissen Winkelwert, z. B.
um den Winkel 9 in Fig. 2 und 3, zu verschieben. Die Brücke umfaßt zwei hintereinandergeschaltete
Widerstände 42 und 43, deren Verbindungsstelle 44 mit einem Ende der Primärwicklung
eines die Gitter beider Entladungsgefäße kuppelnden Transformators 48 verbunden
ist, sowie einen #Kondensator 50 und einen in Reihe damit liegenden dritten
Widerstand 51, während die Verbindungsstelle 52 des Kondensators 5o und des Widerstandes
S i am anderen Ende der Primärwicklung des Transformators 48 liegt.
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Die Wechselspannung, die auf den Widerstand 51 und den Kondensator
5o wirkt, erzeugt in diesen Teilen des Brückenkreises Spannungsabfälle E,. und E,
die etwa die in Fig. 2 angegebene Phasenlage haben. In dieser Figur zeigen die Vektoren
El und E;.> die Spannungen an, die in den hintereinanderliegenden Widerständen 42
und 43 wirken,
während der Vektor Eg das Potential anzeigt, das
zwischen den Punkten 44 und 52 der Brücke ,4o liegt und auf die Steuergitter der
Gefäße 22, 24 durch den Kupplungstransforinator 48 zur Wirkung kommt. Man sieht,
daß die auf diese Weise den Steuergittern aufgedrückte Steuerspannung um den Winkel
q-, gegenüber der Hauptspannung Ep verschoben ist, die zwischen den Leitern 17 und
18 der Wechselstromquelle besteht und durch den Transformator 2o auf die Anoden
der Gefäße 22, 24 übertragen wird.
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Bei der Einrichtung nach Fig. i beeinflußt die Ankerspannung des geregelten
Motors selbst die Höbe der Gleichspannungskomponente der Steuerspannung. Für konstante
Erregung und Belastung des Motors bildet die Ankerspannung ein direktes Maß der
Motorgeschwindigkeit und liefert, selbst wenn sich die Belastung des Motors ändert,
immer noch fitie verhältnismäßig genaue Anzeige der Motorgeschwindigkeit, solange
der Motorfeldstroin konstant gehalten wird.
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Gemäß Fig. i liegt die Ankerwicklung 15 des überwachten Motors io
in Reihe mit den Kathoden 27 und 31 der Entladungsgefäße, die ihren Heizstrom durch
einen Transforinator 55 erhalten, und mit den Steuergittern 28, 32 der Gefäße, die
je mit einem Ende der Sekundärwicklung 57 des Kupplungstransformators 48 verbunden
sind. Bei dieser besonderen Schaltung umfaßt der Stromkreis für die zur Erregung
der Ankerwicklung 15 dienende gleichgerichtete Spannung einen Leiter, der unmittelbar
mit einer Mittelanzapfung 6o des Heiztransformators 55 verbunden ist, während die
negative Leitung für diese Spannung zur Mittelanzapfung 37 des Hauptspeisetransformators
2o geht. Es ist also die Mittelanzapfung 62 des Gittertransformators .48 nicht unmittelbar
mit der Anzapfung 6o des Heiztransformators 55 verbunden, sondern die Ankerwicklung
15 des Motors ist zwischen diese beiden Punkte geschaltet, indem die Leitung 64.
vom Gittertransformator zur negativen Klemme des Motorankers 15 führt.
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Infolge dieser Verbindung wird der Gittersteuerspannung Eg die Gleichstromspannung
des Motorankers überlagert und dadurch die Nullinie 66 der Kurve E, unter die Nullinie
68 der Speisespannung Ep des Ankers verschoben, wie dies Fig. 3 zeigt. Wie man sieht,
ist das Maß dieser Achsenverschiebung eine direkte Funktion der Klemmenspannung
des Motorankers 15, die wieder ein Maß für die Motorgeschwindigkeit ist.
Diese Verschiebung, kombiniert mit einer geeigneten Phasenverschiebung zwischen
den Spannungen E, und E,, wie sie allgemein durch (p in Fig. 3 angedeutet ist, hat
zur Folge, daß Abweichungen in der Motorgeschwindigkeit von einem gewünschten Werte
selbsttätig ausgleichende Veränderungen im Ankerstrom des Motors hervorbringen.
Beim Betrieb dieser Einrichtung wird, 'wenn die Geschwindigkeit des Motors io den
gewünschten Wert einhält, die Ankerspannung ebenfalls einen bestimmten Wert haben,
wie er durch E, in Fig. 3 angedeutet ist, in welchem Falle die Gitterspannungskurve
Es die Kurve Ex für die kritische Spannung im Punkte 70 schneidet, so daß
beide Röhren 22 und 24. von dieser Stelle an während jeder positiven Halbwelle der
Speisespannung Ep für den Anodenstrom durchlässig werden.
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Steigt die Motorgeschwindigkeit, z. B. infolge Verringerung der Last"
so so steigt auch die Ankerspannung proportional an bis zu einem Werte, der z. B.
in Fig. 3 durch EJ bezeichnet ist. Dadurch wird die Nullinie der Gitterspannung
von 66 nach 66' verschoben .und die Kurve E, in die Lage E,' gebracht, also der
Schnittpunkt dieser Kurve mit der Kurve Ex für die kritische Spannung näher an das
Ende der positiven Halbwelle der SpeisespannungEp in die Lage7o' verschoben. Der
Beginn des Stromdurchganges während jeder positiven Halbwelle wird demgemäß verzögert,
und der dein Motoranker gelieferte Effektivstrom wird infolgedessen verringert,
woraus sich eine Herabsetzung der Motorgeschwindigkeit ergibt. In ähnlicher Weise
wird, falls der Motor langsamer läuft, die Ankerspannung absinken, dadurch werden
die Achsen der Spannungskurve Eg und Ep dichter aneinandergerückt, und die Kurve
E, wird die Kurve Ex früher innerhalb jeder positiven Halbwelle schneiden. Dadurch
aber wird der Effektivstrom, der dem Motoranker zugeführt wird, verstärkt und damit
die Motorgeschwindigkeit wieder auf den gewünschten Wert gehoben.
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Die beschriebene Einrichtung ermöglicht eine Regelung von Gleichstrommotoren
innerhalb weiter Grenzen, da die Größe der für die normale Geschwindigkeit notwendigen
Ankerspannung E" des überwachten Motors leicht durch eine solche Übersetzung des
Gittertransformators .48 bestimmt werden kann, um die Größe der Steuerspannung Eg
und die Phasenverschiebungscharakteristik des Brükkenkreises .4o so einzustellen,
daß die richtige Anpassung an die kritische Spannungscharakteristik der Röhren erzielt
wird.
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Die kritische Spannung F_:, in Fig. 3 ist, wie erwähnt, einer gittergesteuerten
Röhre mit Ouecksilberdampffüllungangepaßt. Eskönnen aber auch andere Röhrentypen
bei Ausführung der Erfindung erfolgreich benutzt werden, wie z. B. gittergesteuerte
Glühkathodenröhren mit Gasfüllung, oder auch Röhren mit kalter
Kathode.
DiekritischeSpannungscharakteristik der letzteren Röhrenart weicht etwas von der
durch die Kurve Ex in Fig. 3 angedeuteten Form ab, doch ist die Wirkung hinsichtlich
der Verschiebung der Achse der Gitterspannungskurve Eg gegenüber der Achse für die
Hauptspannung E, ebenso genau erreichbar wie mit der vorerwähnten Röhrenart; man
kann also zur Ausführung der Erfindung gittergesteuerte Entladungsgefäße der verschiedensten
Art benutzen.
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Das in Fig. i dargestellte Ausführungsbeispiel wirkt ausreichend genau
für die meisten Fälle der selbsttätigen Regelung der Motorgeschwindigkeit. Eine
Quelle einer geringfügigen Ungenauigkeit kann in dem Umstande liegen, daß die Ankerspannung
des Motors, die als Regelmittel benutzt wird, ein wenig von der geschwindigkeitsabhängigen
elektromotorischen Gegenkraft abweicht, die in den Ankerwicklungen infolge der Einwirkung
des Windungswiderstandsabfalls und der Ankerreaktion erzeugt wird. Infolgedessen
wird, obwohl der Motorfeldstrom konstant erhalten wird, während die Belastung des
Motors sich ändert, die Ankerspannung ein nicht absolut genauer Maßstab für die
Geschwindigkeit sein. Für Fälle, in denen eine ungewöhnlich große Genauigkeit in
der Motorregelung gefordert wird, wird man sich deshalb mit Vorteil der in Fig.4
dargestellten Ausführungsform der Erfindung bedienen können. Diese Ausführungsform
stimmt im allgemeinen mit derjenigen nach Fig. i überein, nur ist ein Hilfsgenerator
75 vorgesehen, der mechanisch mit dem überwachten Motor io gekuppelt ist und dazu
dient, das Regelpotential zu liefern, statt daß dieses von der Ankerspannung des
zu regelnden Motors unmittelbar gebildet wird.
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Die Ankerwicklung 77 des Generators 75 ist zwischen den Gittertransformator
48 und den Heiztransformator 55 geschaltet, genau so wie in Fig. i die Ankerwicklung
15 des zu überwachenden Motors io. Infolgedessen sind in Fig. 4. die Mittelanzapfungen
62 und 6o der beiden Transformatoren 48 und 55 durch einen Stromkreis miteinander
verbunden, der die Leitung 64', den Anker 77 des Generators 75 und eine zum Transformator
55 führende Leitung 79 umfaßt.
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Wie ersichtlich, wird für einen konstanten Wert des Erregerstromes,
der der Feldwicklung 81 des Hilfsgenerators zugeführt wird, die in dessen Ankerwicklung
1-7 erzeugte Spannung einen äußerst genauen Maßstab für die Geschwindigkeit
des überwachten Motors io ergeben, von dem der Generator 75 getrieben wird, vor
allen Dingen deshalb, weil die Belastung diese Generators äußerst gering ist. Diese
Kombination macht die Geschwindigkeitsregelung vollkommen unabhängig von Veränderungen
in der Erregung und Belastung des zu überwachenden Motors, eine Eigenschaft, die
in besonderen Anwendungsfällen von großer Bedeutung sein kann.