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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung elektrischer Maschinen Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur selbsttätigen Regelung elektrischer Maschinen,
insbesondere zum selbsttätigen Konstanthalten der Drehzahl von Asynchronmotoren
bei stark veränderlicher Belastung.
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Bei elektrischen Motoren, insbesondere Asynchronmotoren, z. B. für
Druckereipressenantriebe, ist oft das Konstanthalten einer verhältnismäßig niedrigen
Drehzahl während bestimmter Arbeitsvorgänge erwünscht. Diese niedrige Drehzahl kann
in der Größenordnung von io°/o liegen, und da die Belastung in weiten Grenzen sich
ändern kann, muß der Sekundär- oder Läuferwiderstand- des Antriebsmotors über einen
großen Bereich verändert werden. Verschiedene Steuereinrichtungen sind vorgeschlagen
worden, um solche Drehzahlregelungen von Asynchronmotoren zu erreichen. Einige dieser
Einrichtungen arbeiten zwar verhältnismäßig zufriedenstelsend, sind jedoch in bezug
auf die Herstellungskosten ungünst'g und führen zu Betriebs-und Einbauschwierigkeiten.
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Demgegenüber schafft die neue selbsttätige Regeleinrichtung nach der
Erfindung mit einfachen, sicheren und wenig Kosten verursachenden Mitteln konstante
Regelbedingungen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zum selbsttätigen Konstanthalten
der Drehzahl von Elektromotoren zwei Hilfsmotoren zu verwenden, deren Wellen über
ein Differenzgetriebe gekuppelt sind, wobei der eine Hilfsmotor in Abhängigkeit
von dem Istwert der zu regelnden Größe gesteuert wird, während der andere Hilfsmotor
mit konstanter oder annähernd konstanter Drehzahl läuft. Diese Einrichtung hat den
großen Nachteil, daß nur ein Kontakt gesteuert werden kann. Erfindungsgemäß werden
deshalb auf der äußeren
Wand des Differenzgetriebegehäuses mehrere
einstellbare Nockenringe in bestimmter Lage zueinander versetzt angeordnet, die
federnde Kontaktarme in ihrer Stellung gegenüber einem schwingenden Rahmen mit entsprechen=
den Gegenkontakten derart verändern, daß die Stromkreise der einzelnen Kontaktpaare
nacheinander geschlossen werden. Es ist also jetzt möglich, mehrere Kontakte zu
steuern, wobei die Schaltzeiten außerdem noch in weiten Grenzen geändert werden
können.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht;
Abb. i zeigt eine Aufsicht der Steuereinrichtung. Auf einer Grundplatte io sind
eine aus Isolierstoff hergestellte Platte 12, und ein U-förmiger Rahmen ii angeordnet,
die das Differenzgetriebe und die Kontakteinrichtung tragen. Ferner sind auf der
Grundplatte io zwei kleine Wechselstromhilfsmotoren 13, 14 an sich bekannter Bauart
befestigt; deren Drehzahl bei konstanter Belastung sich mit der Frequenz des zugeführten
Wechselstromes ändert. Als Hilfsmotoren können beispielsweise Einphaseninduktionsmotoren
verwendet werden.
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Abb. 2 zeigt eine Seitenansicht der Steuereinrichtung nach Abb. i.
Der Hilfsmotor 13
ist, wie die Abb. 2 zeigt, auf einem Bügel 15
angeordnet
und treibt über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Getriebe eine Welle 16,
die durch eine Kupplung 17 mit einer zweiten Welle i8 verbunden ist. Diese zweite
Welle 18 ist in dem U-förmigen Rahmen ii gelagert. An dem Ende der Welle befindet
sich ein Zahnrad ig, das in .ein Zahnrad 2o eingreift, das an dem Ende der Differenzwelle
2 i (Abb. i) befestigt ist. . Die Zahnräder ig und 2o sind durch eine Schutzplatte
22 abgedeckt. In derselben Weise ist der Motor 14 auf einem Rahmen 23 gelagert,
der von den Stützen 24 getragen wird und über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes-
Getriebe mit einer Welje 25 verbunden ist. Die Welle 25 ist mittels einer Kupplung
26 mit einer Differenzwelle 27, die in einer Öffnung des Rahmens i i gelagert ist,
verbunden.
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Abb. 3 zeigt eine Teilansicht des Differenzgetriebes. Die Differenzwellen
2i und 27 tragen, wie die Abb. 3 zeigt, ein Gehäuse 28 und an ihren inneren Enden
Kegelräder 29 und 3o. In die Kegelräder 29 und 30 greifen zwei Kegelräder
32 und 33 ein, deren Wellenstumpfe 3 1 in dem Gehäuse 28 gelagert sind. Solange
die Kegelräder 30 und 29 mit derselben Drehzahl umlaufen, drehen sich auch
die Räder 32 und 33 um ihre Wellen 34 während das Gehäuse 28 stehenbleibt. Bei ungleicher
Drehzahl der Räder 30 und 29 drehen sich die Räder 32 und 33 zusammen mit dem Gehäuse
28 um die Wellen 21 und 27. Normalerweise wird das Differenzgehäuse 28 in der gezeigten
Stellung durch eine Spiralfeder 34 (Abb. i) festgehalten.
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Die Abb.4 zeigt die Vorderansicht der Steuereinrichtung. Auf der äußeren
Wand des Differenzgehäuses sind, wie Abb. 4 zeigt, mehrere Halter 35 befestigt,
die mehrere Nokkenringe 36, 37, 38 und 39 tragen. Diese Ringe umgeben das Gehäuse
28 und sind zueinander versetzt mit Schrauben 40, die durch die Halter 35 und durch
Öffnungen 40, der Nockenringe gehen, auf dem Gehäuse befestigt. ,jeder Nockenring
hat mehrere Öffnungen, um die Stellung der Nockenringe zueinander verändern zu können.
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Die Drehung des Differenzgehäuses 28 und die dadurch bedingte Drehung
der Nockenringe 36 bis 39 steuert die Kontakteinrichtung. Diese besteht einerseits
aus einer rahmeinförmigen, schwingenden Platte 41, die oben mehrere einstellbare
Kontakte 42, 43, 44 und 45 trägt und unten mit gegabelten Vorsprüngen 46 versehen
ist.
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Abb.5 zeigt die Schaltung der Steuereinrichtung. Wie aus den Abb.
i, 4 und 5 hervorgeht, sind die Vorsprünge 46 in Nuten 47 der Stützplatten 48 eingelassen,
die auf der Isolierplatte 12 befestigt sind. Wie Abb. 4 zeigt, hat die Grundplatte
12- Öffnungen 49, in welche die gabelförmigen Teile eingreifen. Diese Anordnung
des Rahmens 41 auf der Grundplatte i2 ermöglicht dessen Pendeln. An dem Rahmen 41
ist ein Arm 5o befestigt, dessen äußeres Ende 51 auf einem auf der Welle 18 angeordneten
Exzenter 52 gleitet. Ein auf. der Isolierplatte i2 befestigter Führungsbolzen 53
geht durch eine Öffnung in dem Arm 5o. Auf dem Führungsbolzen, und zwar zwischen
dem Arm 50 und einer Scheibe 5 5, ist eine Feder, welche das Ende 5 i gegen
den Umfang der exzentrischen Scheibe 5a drückt. Beim Umlaufen der Welle 18 bewirkt
also diese Scheibe 52 eine Schwingbewegung des Rahmens 41 und der Kontakte 42 bis
45, deren Größe oder Dauer durch die Form der exzentrischen Scheibe bestimmt ist
und deren Frequenz von der Drehzahl der Welle 18 abhängt. In der Nähe des drehbaren
Rahmens 41 sind die Gegenkontakte 56, 57, 58 und 59 außerhalb des Schwingbereiches
der Kontakte 42, 44 und 45 angeordnet. Die Kontakte 56 bis 59 sitzen an federnden
Armen 6o, die wieder, wie die Abb. 4 zeigt, an Trägern 61 befestigt sind, deren
untere Enden mittels der Winkelstücke 62 mit der Isolierplatte 12 verbunden sind.
Die oberen Enden der Träger 61 gehen, wie aus Abb. i und 2 zu ersehen ist,
durch Schlitze 63 in den nach hinten umgebogenen oberen Enden der federnden Arme
6o. Die Kontakte 56 bis 59 sind so angeordnet, daB ihre Bewegung in bezug
auf ihre Träger 61 begrenzt wird. Die Teile 61 sind
in der Nähe
der Nockenringe 36 bis 39 angeordnet, so daß beim Umlaufen des Differenzgehäuses
im Gegenuhrzeigersinn die Kontakte 56 bis 59 gegen den Rahmen 41 und in den Schwingbereich
der Kontakte 42 bis 45 bewegt werden. Die Nockenringe 36 bis 39 sind beispielsweise
mit Nocken 63 versehen.
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Beim Umlaufen der Welle 18 schwingen die Kontakte 42 bis 45 in einem
bestimmten Bereich. Wenn sich das Differenzgehäuse im Gegenuhrzeigersinn dreht,
wie dies beispielsweise in Abb. 5 dargestellt ist, so werden die Gegenkontakte 56
bis 59 nacheinander in diesen Schwingbereich hineinbewegt. Die Nocken an den Nockenringen
36 bis 39 sind so angeordnet, daß der zugeordnete-Kontakt 56 zuerst in den Schwingbereich
bewegt wird, somit die Kontakte 42, 56 abwechselnd geschlossen und geöffnet werden,
wobei d'e Dauer dieser Arbeitszustände von der Größe des Weges abhängt, den der
Kontakt 56 zurücklegt. Wird dieser Kontakt früher bewegt, so werden die Kontakte
länger geschlossen bleiben, wobei die Anordnung des Federarmes 6o zu dem Träger
61 so ist, daß der zugeordnete Kontakt 56 dem Kontakt 42 während eines Teiles seiner
Schwingung folgt. Wenn der Kontakt durch die Nocken 63 in seine äußerste Stellung
bewegt wird, bleiben die Kontakte 42 und 56 dauernd in Berührung, wobei der Kontakt
42 in dem gesamten Schwingbereich folgt. Vorzugsweise sind die Nockenringe 36 und
37 so angeordnet, daß der Kontakt 56 früher die Stellung erreicht, in der die Kontakte
42 und 56 ständig geschlossen sind, als der Kontakt 57 in dem Schwingbereich bewegt
wird, in dem die Kontakte 43 und 57 abwechselnd geschlossen und geöffnet werden.
Die Nockenringe 37, 38 und 39 sind in entsprechender Weise zueinander angeordnet.
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Die Schwingkontakte 42 bis 45 und die zugeordneten Kontakte 56 bis
59 steuern Einrichtungen, um die zu regelnde Größe zu ändern. Die beschriebene Kontaktanordnung,
die zuerst mit ständig zunehmender Dauer ein abwechselndes Schließen und Öffnen
und schließlich ein ständiges Schließen dieser Kontakte hervorruft, verhindert in
äußerst wirksamer Weise ein Wackeln der Kontakte und damit eine Veränderung des
einzuregelnden Betriebszustandes.
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In folgendem ist die Wirkungsweise der neuen Einrichtung beispielsweise
zur Regelung der Drehzahl eines Induktionsmotors beschrieben. Abb. 5 zeigt das Schaltbild
für einen solchen Induktionsmotor. Die Primärwicklung @ des Induktionsmotors 67
liegt an einem Drehstromnetz 68, 69, 70. Der sekundäre Stromkreis des Motors ist
an Schleifringe 71 angeschlossen, denen Bürsten 72 zugeordnet sind. An diese Bürsten
wird ein Drehzahlregelwiderstand geschaltet, der in mehrere Teilwiderstände 73,
74, 75 und 76 aufgeteilt ist, die durch Relais 77, 78, 79 bzw. 8o gesteuert
werden. Die Relais schließen, falls sie erregt werden, die zugeordneten Widerstandsteile
kurz. Ihre Erregerwicklungen werden durch die Kontakte 42 bis 45 und die Kontakte
56 bis 59 gesteuert.
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Der Hilfsmotor 13 liegt über dieLeitung 8i an demselben Wechselstromnetz
wie der Primärkreis des Induktionsmotors 67. DerHilfsmotor 14 liegt über die Leitung
82 an zwei Schleifringen 71 und wird von der Sekundärspannung des Induktionsmotors
67 gespeist. Der Hilfsmotor 13 läuft also mit einer konstanten Drehzahl,
die durch die Frequenz des Wechselstromnetzes bestimmt wird, so daß er die Leitdrehzahl
gibt. Die Drehzahl des Hilfsmotors 14 ändert sich dann mit der Frequenz der in dein
Sekundärstromkreis des Induktionsmotors induzierten Spannung.
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In der Zeichnung ist die Steuereinrichtung in derjenigen Stellung
gezeigt, in welcher der Induktionsmotor 67 mit der gewünschten niedrigen Drehzahl
umläuft, beispielsweise ioo/o der Normaldrehzahl bei Leerlauf, wobei alle Widerstandsstufen
in dem Sekundärkreis des Induktionsmotors eingeschaltet sind. Solange derInduktionsmotor
67 mit dieserDrehzahl läuft, treiben die Hilfsmotoren 13 und 14 ihre Differenzräder
29 und 30 in gleicher Drehzahl an, und demgemäß bleibt das Gehäuse 28 in
der gezeigten Lage. Bei einer plötzlichen Vergrößerung der Belastung des Induktionsmotors
67 wird die Drehzahl des Motors sinken. Mit sinkender Drehzahl nimmt jedoch die
Frequenz der in dem Sekundärstromkreis induzierten Spannung zu, somit auch der Strom
und die Drehzahl des Hilfsmotors 14. Das Differenzgehäuse 28 wird sodann im Gegenuhrzeigersinn
und der zugeordnete Kontakt 56 in den Schwingungsbereich des Kontaktes 42 bewegt,
so daß ein abwechselndes Öffnen und Schließen dieser beiden Kontakte erfolgt. Sobald
der Kontakt 56 den Kontakt 42 berührt, wird der Erregerstromkreis des Relais 8o
geschlossen. Der Verlauf des Erregerstromes des Relais 8o ist folgender: Von der
Phasenleitung 70 über Leitung 83, Rahmen 44 Kontakte 42 und 56, Teile 6o und 61,
welche den Kontakt 56 tragen, Leitung 84, Erregerwicklung des Relais 8o, Leitungen
85, 86, 87 und 88 zur Phasenleitung 69.
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Das Relais 8o schließt den Widerstandsteil 76 kurz. Es spricht zweckmäßig
so schnell an, daß es den Relaisschalter jederzeit öffnet und schließt, wenn die
Schwingkontakte 42, 46 sich schließen und öffnen. Dadurch ergibt sich eine Schwingcharakteristik,
die den
Widerstand in dem Sekundärkreis des Induktionsmotors verringert
um einen Betrag, dessen Mittelwert von der Zeit abhängt, während der die Kontakte
42 und 56 bei jeler Schwingung des Kontaktes 42 geschlossen bleiben. Wenn dasDifferenzgehäuse28
weiter im Gegenuhrzeigersinn umläuft, nimmt die Dauer der Kontaktgebung zwischen
den Kontakten 42 und 56 zu, wie bereits beschrieben; demgemäß verringert sich der
Mittelwert des Widerstandes im Sekundärstromkreis des Induktionsmotors, wodurch
der Motor hochläuft.
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Wenn der Gegenkontakt 56 die Lage erreicht, in der er ständig geschlossen
ist, wird das Relais 8o dt,.#_-- 2:nd erregt und der Widerstandsteil 76 dauernd
kurzgeschlossen. Ist die Verringerung des sekundären Widerstandes genügend groß,
um die Drehzahl des Induktionsmotors auf einen bestimmten Wert zu erhöhen, so wird
die Arbeitsdrehzahl des Hilfsmotors I¢ so groß sein, daß die Differenzräder 29 und
30 mit gleicher Drehzahl umlaufen, und die Drehung des Differenzgehäuses
dementsprechend aufhören wird. Wenn je= doch die Belastungsänderung des Induktionsmotors
67 so groß ist, daß er immer noch bei einer zu niedrigen Drehzahl arbeitet, so bewegt
sich das Differenzgehäuse im Gegenuhrzeigersinn weiter, und der Kontakt 57 wird
nun in den Schwingbereich des Kontaktes 4.3 gebracht. .Dadurch wird das Relais 79
aussetzend erregt, und die Widerstandstufe 75 des sekundären Stromkreises des Induktionsmotors
ausgeschaltet.
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In gleicher Weise wird bei plötzlicher Zunahme der Motorbelastung
auf ihren Höchstwert sich das Differenzgehäuse 28 weiterbewegen, bis alle Kontakte
sich in' der Stellung befinden, in der sie dauernd geschlossen und alle Relais 77
bis 8o ständig erregt, somit alle Widerstandsteile 73 bis 76 kurzgeschlossen sind.
- Wenn die Belastung des Induktionsmotors 67 verkleinert wird, kann der Induktionsmotor
hochlaufen. Der Hilfsmotor 1l wird dann langsamer laufen und das Differenzgehäuse
28 im Uhrzeigersinn drehen; die zusammenarbeitenden Kontakte schalten dien nacheinander
die Widerstandsteile 73 bis 76 in den Sekundärkreis des Induktionsmotors 67 ein.
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In der Beschreibung ist angenommen worden, daß die Relais 77 bis 8o
derart schnell wirken, daß sie dem Schließen und Öffnen der Kontakte, welche die
Erregerwicklungen regeln, folgen können. Annähernd dieselbe Wirkung kann jedoch
erzielt werden; wenn langsam arbeitende Relais verwendet werden. Solche langsam
arbeitende Relais sprechen auf den Mittelwert des in ihrem Erregerkreis fließenden
Stromes, dessen Größe durch die Dauer der Kontaktgebung zwischen den Kontakten 42
bis 45 und den Kontakten 56 bis 59 bestimmt wird, an. Solange nun die Zeit, während
der die Kontakte 56 und q.a während jeder Schwingung geschlossen sind, zu klein
ist, um einen Mittelwert des Erregerstromes des Relais 8o zu erhalten, der zum Ansprechen
dieses Schalters ausreicht, werden keine Widerstandsteile in dem Sekundärkreis des
Motors kurzgeschlossen. Wenn die Schli-ßzeit des Relais genügend groß ist, wird
der Mittelwert des durch die Erregerwicklung fließenden Stromes genügen, um ein
Ansprechen des Relais 8o zu bewirken und demgemäß denWiderstandsteilq.6kurzzuschließen.
In gleicher Weise werden die verbleibenden Teile kurzgeschlossen, wenn der Mittelwert
des Stromes in den Erregerwicklungen so groß ist, daß die Relais 79, 78 und 77 ansprechen.
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Wie erwähnt, kann die Lage der Nockenringe 36 bis 39 mittels Schrauben
40 und der Öffnungen q.oa eingestellt werden, um die zeitliche Folge des Arbeitens
der Kontakte 56 bis 59 verschieden zu gestalten. Wenn eine Änderung der Grunddrehzahl,
die durch die Einrichtung konstant gehalten werden soll, erwünscht ist, braucht
man nur die Schutzplatte 22 zu entfernen und die Räder 19 und 2o durch ähnliche
Räder mit verschiedenem >Gbersetzungsverhältnis zu ersetzen.
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Die Anwendung des neuen Kontaktreglers ist nicht auf das beschriebene
Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch für andere Regelzwecke benutzt
werden.