DE704710C - Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Elektromotoren mittels eines mechanischen oder elektrischen Schwingungsystems - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Elektromotoren mittels eines mechanischen oder elektrischen Schwingungsystems Es ist bekannt, daß ein elektrisches Schwingungsystem bei Abweichung der angelegt-en Frequenz von der Eigenfrequenz einen je nach der Richtung der Abweichung in verschiedener Richtung phasenverschobenen Strom durchläßt, ferner auch, daß.die Stromgröße bei der Abweichung von der Resonanzfrequenz sich stark ändert. Beide Erscheinungen hat man bereits zur Drehzahlregelung von Motoren benutzt. Verwendet man die Phasenv erschiebung des Stromes bei der Abweichung von der Resonanzfrequenz, so muß der Arbeitspunkt des Systems mit dem Resonanzpunkt zusammenfallen, d. h. die Solldrehzahl der überwachten Maschine muß genau im Resonanzpunkt liegen. Verwendet man dagegen die Änderung der Stromgröße bei einer Abweichung, so muß der Arbeitspunkt in der Mitte eines der beiden Äste der Resonanzkurve, die Drehzahl also etwas oberhalb oder unterhalb der Resonanzdrehzahl liegen.
• Es ist auch bekannt, daß ein mechanisches, aus Masse und Feder bestehendes Schwingunsystem ähnliche Erscheinungen wie das elektrische Schwingungsvstem zeigt, indem beiderseits der Resonanzfrequenz die Amplitude der Schwingung sich stark ändert. Weniger bekannt ist aber, daß auch eine der Phasenverschiebung beim elektrischen Schwingungsystem entsprechende Erscheinung beim mechanischen Schwingungsystem auftritt, indem bei der Abweichung der anregenden Frequenz

  von der Resonanz oder I?ijenfre@iuenz der nie-

  ,

  cllan:sche Schwinget- seine Phasenlage

  der anregenden Kraft je nach der Ab-

  we:chrichtung in deni eiriin .:der anderen

  Sinne verschiebt.

  Diese Phasenverschiebung, die sich also so-

  woh' beim elehtrisclie-n als @lttcli büini mecha-

  nischen Schw:iigungsystem ergibt, wenn die

  anregende Schwinguni- von der @igei@sc@rwin-

  gung abweicht, wird nun ertincltingsgemäß

  dazu benutzt, aus einer finit der Drehzahl der

  zti überwachenden Maschine sich :ändernden

  Wechselspanntin- Teile vorn der Länge etwa

  einer lialbün Periode so herauszuschneiden,

  daß bei der gewiinschten Drehzahl, also wenn

  die Frequenz der Wechselspannung mit der

  Eigenfrequenz des Scliw:igtungsystelns über-

  einstiinint, der resultierende Strom \7U11 ist,

  wiilireiid bei Abweichung von der gewünschten

  Drehzahl ein Gle:clistrornante:l, in der einen

  oder anderen Richtung eine Regeleinrich-

  tung durchfließt. Für diesen Zweck dient

  eine Schaltvorrichtung, die bei der Verwen-

  dung eines mechanischen Scllwingtuigsvsteins

  einfach in einem Kontakt am Schwinger und

  einem init diesem zusaninienarbeaenden festen

  Kontakt besteht, wahrend bei der Verwen-

  dung eines elektrischen Seliwirigungsvstenis

  eine magnetische Schaltvorrichtung benntzt

  wird, die: in Abhängigkeit von der Phasen-

  lage des die Spule durchfließenden Strome

  zti verschiedenen Zeitpunkten schaltet. Der

  Arbeitspunkt des systetns liegt hierbei auf

  dein Scheitelpunkt der Resonanzkurve, wo die

  I'iiasenänderuri" bei der geringsten Abwei-

  chung von der Resonanzfrequenz ein

  tniitll ist, während die Amplitude im wesent-

  lichen konstant bleibt. Die Erfindung ist bei-

  spielsweise in den Abbildungen dargestellt.

  In Abb. i ist <-1 ein Gle:elistroinuiotor, der

  Tiber die Haupturregerwicklung Il vom -Netz

  aus erregt wird und dessen Drehzahl auf einen

  bestimmten Wert i Sollclrelizalil j% konstant ge-

  halten werden soll. Mit .-i ist eine Wechsel-

  stronidvnaino B gekuppelt. deren Frequenz der

  Drehzahl des Motors <1 proport'-onal ist. Ge-

  iierator B speist zwei Stromkreise. In dein

  einen liegt eine Hilfswicklung G des Gleicli-

  stronimotors A und ein :n der I@uliela@e des

  mechanischen, aus der Feder D und der

  Masse E bestehenden Schwingungsysterns offe-

  ner Kontakt l--. in dein anderen liegt die

  Wicklung eines :,Magneten (`.Das m:chanische

  Schwingungsystem ist so abgestimmt, <laß es

  sich mit der Frequenz des Generators 13 in

  Resonanz befindet. wenn die Maschnie A niit

  der gewünschten Drehzahl läuft. Mit der

  schwingenden Masse E ist der bewegliche Teil

  des Kontaktpaares F verbunden, während der

  andere so angeordnet ist, daß der Kontakt ge-

  schlossen wird, wenn der Schwinger gerade

  seine Mittellage durchschritten hat und geöff-

  ilet wird, kurz bevor er seine Mittellage

  wieder erreicht.

  Die Wirkungsweise der Anordnung ist

  folgende:

  Wenn der Motor A mit seiner Solldrehzahl

  läuft, dann ist das mechanische Schwingung-

  svsteni mit der von dein Generator B erzeug-

  ten Frequenz in Resonanz und die Auslenkung

  des mechanischen ScliNi-in,ers in jedem Augen-

  blick zeitlich genrau in Phase mit der die

  Schwingung anregenden "Zugkraft des Magne-

  ten C. Die Zugkraft des Magneten ist in

  Phase niit dein Strom I in der Magnetwick-

  lung C, der uni 9o° gegen die erregende Span-

  ming nacheilend verschoben ist. Demzufolge

  ist auch die Auslenkung des mechanischen

  Schwingers um 9o ° zeitlich gegen die erre-

  gende Spannung verschoben; der Schwinger

  geht also stets dann durch seine Mittellage

  hindurch und scliliel.it bzw. öffnet den Kon-

  takt F, wenn die Generatorspannung gerade

  ihren Höchstwert erreicht hat. Da in

  dem Stromkreis der Wicklung G sich der

  Strom in Pliase mit der erregenden Spannung

  befindet, wird die Wicklung G entsprechend

  der Abb.2b von zwei einander entgegenge-

  setzt gerichteten Stromstößen durchflossen, so

  daß der resultierende Wert des Stromes Null

  ist, d. 1i. also die Drehzahl der Maschine nicht

  bee:iflußt wird.

  Ist atis irgende:nein Grund die Drehzahl der

  Maschine etwas abgesunken, so ergibt sich

  auch hier, genau wie bei dem elektrischen

  Schw:igun gskreis, eine

  und zwar eine zeitliche Nacheilung gegen-

  über der anregenden Kraft. Der mechanische

  Schwinger geht also nicht mehr durch seine

  Nullage hindurch und öffnet und schließt den

  Kontakt F, wenn die Spannung ihren Höchst-

  wert hat, sondern dann, wenn die Spannungs-

  kurve durch Null hindurchgeht. Der Strom-

  kreis über G wird daher in F während einer

  Halbperiode geschlossen, wie es in Abb.2a

  dargestellt ist, so da13 die Wicklung G von

  enieni Strom in einer solchen Richtung durch-

  flossen wird, daß die Drehzahl der \laschine A

  sich wieder erhöht.

  Hatte sich die Drehzahl des Motors A nicht

  erniedrigt, sondern um einen gewissen Betrag

  erhöht, so findet die Verschiebung der Phasen-

  lage des Schwingers nach der entgegenge-

  setzten Dichtung statt; statt später schaltet

  dieser also zeitiger. Der Stroinschluß und

  die Stromöffnung durch den Kontakt F findet

  also l@-ietierum in den Augenblicken statt, in

  denen die Spannungskurve die Nullinie schnei-

  det, nur wird jetzt die andere Halbwelle der

  Slrarliiuligskurve leerausgeschnitten, somit ein

  Regelstrom in entgegengesetzter Richtung

  durch die Wicklung G geschickt, der die Dreh-

  zahl des Motors A herabmindert (siehe 1.Z ig. 2c).
• Die beschriebene Regelwirkung tritt auch schon dann ein, wenn der Motor noch nicht seine Drehzahl vermindert hat, sondern nur tim einen gewissen Winkel zurückgeblieben ist; zusammen mit der Motorwelle verschiebt sich die Spannungskurve des Generators ß um den gleichen Winkel, um den der Motor zurückgeblieben ist, dagegen schwingt im ersten Augenblick der mechanische Schwinger in der. alten Phase weiter. Jeder derartigen relativen Winkelverschiebung entspricht aber ein Gleichstrom über die Kontakte F, der so gerichtet ist, daß er die Winkelverschiebung rückgängig zu machen sucht.
• Die Verhältnisse am Schwingungsystem sind in der Abb.3 graphisch dargestellt; auf der Abszisse ist die Drehzahl der zu überwachenden Maschine A, auf der Ordinate der Phasenwinkel aufgetragen. Bei der gewünschten Drehzahl ist dieser Phasenwinkel Null, dagegen wird er bei einer ganz kleinen Abweichung von der Solldrehzahl praktisch fast sofort go °. Daraus ergibt sich eine sehr schnelle und kräftige Regelwirkung.
• Um eine der Drehzahl verhältnisgleiche Frequenz zu bekommen, genügt es, an Stelle einer Tachometerdynamo eine Kontakteinrichtung nach Art eines Kollektors auf der Welle anzuordnen, die aus einer zur Verfügung stehenden Gleichspannung eine Wechselspanriting mit rechteckiger Kurvenform liefert. Diese Kurvenform hat bei sauberer Kontaktgabe eine weitere Erhöhung der Regelgenauigkeit zur Folge, da bei rechteckiger Kurvenform einer bestimmten Winkelabweichung ein größerer Regelgleichstrom entspricht als bei sinusförmiger MTechselspannung.
• In vielen Fällen, beispielsweise wenn es sich darum handelt, die von einem Umformer gelieferte Frequenz konstant zu halten, ist die Anordnung einer besonderen Tachometerdynamo nicht -erforderlich, da dann der Schwinger auf die vom Umformer gelieferte Frequenz abgestimmt werden kann, wobei die Steuerleistung von der gelieferten Wechselspannung abgezweigt wird. Spannungschwankungen des Umformers sind ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Regelung, da bei Nenndrehzahl der Regelgleichstrom gleich 11u11 ist.
• Ebenso kann der Schwinger mechanisch von der Welle aus angeregt werden, während den Kontakten ein zerhackter Gleichstrom oder ein Wechselstrom zugeführt wird. Es ist dann eine Anordnung erforderlich, welche die Phasenlage der Wechselspannung gegenüber der Bewegung des Schwingers einzustellen gestattet, um bei Resonanz den Gleichstrom Null einstellen zu können.
• In Abb. 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Verschiebung des Schaltzeitpunktes vermittels eines elektrischen Schwingungsystems J und einer von diesem gesteuerten magnetischen Schaltvorrichtung 1 - bewirkt wird. Läuft die zu überwachende Maschine mit der gewünschten Drehzahl, also bei Resonanz, so schneidet die Schaltvorrichtung genau soviel aus der positiven wie aus der negativen Halbwelle des Wechselstromes heraus, so daß der resultierende Strom Null ist. Bei Drehzahlabweichung liefert der Schwingungskreis J einen voreilenden oder nacheilenden Strom, der die Schaltvorrichtung L zum zeitigeren oder späteren Schalten veranlaßt, so daß sich ein positiver oder negativer Regelstrom ergibt. Der Parallelwiderstand K zur Schaltvorrichtung L dient nur Einstellzwecken und kann gegebenenfalls fortfallen.
• In den bisher beschriebenen Anordnungen wurde als Beispiel die direkte Beeinflussung einer Gleichstrommaschine gezeigt. Dies führt aber nur zu einer statischen Regelung, d. h. es wird nach einer vorübergehenden Abweichung vom Sollwert der Drehzahl oder Frequenz bei. bleibendem äußerem Anla1J der Sollwert nicht wieder ganz erreicht. Ebenso besteht bei der hohen Empfindlichkeit und Reguliergeschwindigkeit die Gefahr, daß die Drehzahl Dauerpendelungen um den Sollwert herum ausführt. Außerdem kann bei großen Maschinen, trotzdem bei einigen der beschriebenen Anordnungen nur ein Teil der Erregerleistung gesteuert wird, diese zu groß werden. Aus all diesen Gründen empfiehlt es sich, die Beeinflussung der Maschine nicht direkt, sondern über einen zusätzlichen Regler vorzunehmen.
• Abb. 5 zeigt eine Anordnung, bei der ein solcher zusätzlicher Regler in Form eines Kohledruckreglers mit einer Anordnung nach Abb. z zusammenarbeitet. Der Kohledruckregler trägt die beiden Erregerwicklungen O und P, von denen die zweite von einem konstanten Strom durchflossen wird, während die erste von einem nur bei Abweichung der überwachten Drehzahl von der gewünschten Drehzahl in der einen oder anderen Richtung fließenden Strom gespeist wird. Die Kohlesäule O verändert dann nach Maßgabe der Steuereinrichtung bzw. der Richtung des Stromes in der Wicklung P die Drehzahl der Maschine durch Beeinflussung des Stromes in der Hilfserregerwicklung G.
• Bei dieser Anordnung ist es leicht möglich, die gewünschte Drehzahl, deren Imiehaltung die erfindungsgemäße Anordnung überwacht, nach Belieben zu ändern; zu diesem Zweck wird die Eigenschwingungszahl des Schwingers geändert, und zwar kann dies durch Verschiebung des SchlittensR geschehen, wodurch

  die schwingende Länge des Schwingers ver-

  ändert wird. Es ist nicht notwenclis--, cl:e An-

  lage dazu stillzu#_-etzen, vielmehr kann dies

  während des @et2'iebs gesclielieii. Auf diese

  Weise Ist dIC _#,ildertiilg der Solldrehzahl in

  weiten Grenzen mö--lich. An die Stelle des

  Kohledruchreglers kann auch irgendein an-

  Regler oder eine geeignete 1@.eiaisanc:rd-

  nung treten, die auch die Enei'giezttfulir zu

  einer Maschine, z. B. einem Dieselmotor,

  steuern k--im. der irgendeine andere Maschine,

  z. B. eitlen Generator, nut gleichbleibender

  Drehzahl antreiben soll. Handelt es sich um

  die Überwachung der Drehzahl einer mecha--

  nisch angetriebenen Welle, so kann als Regler

  ein elektrisch beenlfußter mechanischer Re-

  ]er vorgesehen «-erden.

  Die bisher beschriebenen Einrichtungen

  haben eine außerordentlich holte Genauigkeit

  der Regeleiig: es besteht aber noch die Gefahr,

  daß diese Einrichtungen bei sehr grojeii ;lb-

  weichungeii der Drehzahl völlig aus dein Re-

  sonanzbereicli herausg-eraten und daß dann

  eitle Versteligröße fehlt, um diese Regelein-

  richtung «-leder in die Mitte des Regelbe-

  reiches zurückzutnliren. -Um diesen N achte il

  zu beseitigen, wird eine zusätzliche I1ilfs-

  regeleinrichtung benutzt, welche für sich

  allein mit verminderter Genauigkeit arbeitet.

  aber dafür einii -rölleren Regelbereich hat.

  Auch diese zus:itzliclie Rcgeleiilriclltttng ar-

  beitet in Abhängigkeit von der zti über-

  wachenden Drehzahl. Die Abliüngiglieit wird

  beispielsweise dadurch erreicht, daß der Er-

  regerstrom Sur den Magneten #_lel' @@Lt@atllit'hell

  Regeleinrielltung über einen Gleichrichter un-

  mittelbar der @@CI@@inete2'dt'11aITI@ entnommen

  wird. Sobald sich iluninellr die Drehzahl um

  größere Beträ!,'e ändert, ändert sich in gleicher

  Weise die Hilfserregung und bewirkt die Zu-

  riickführung der ganzen I:egeleinrichtuug in

  den Resonanzbereieli.

  Ein @eisraiel für eine derartige Anordnung

  zeigt Abb.6. Darin ist A wiederum die zu

  überwachende Maschine, 13 edle mit ihr ge-

  kuppeke Tachonieterdynanio, deren Energie

  über die Kontaktanordntlilg F des Schwing-

  svstems D, E der Reglerspule O zugeführt

  wird. Als zusätzliche Regeleinrichtung ist

  ein #,lagnetsystenl S mit einem Drehanker T

  angeiloinrieil, welcher in seinen Endlagen

  Kontakte Q schließt und dadurch den Strom-

  kreis einer Steu,r-einricll.tiiig z. B. für die

  eine oder andere Drehrichtung schliert.

  Dieser Verstellinotor beiiiflttl.It die Drehzahl

  teer überwachten @a,SCl@ine .@ etwa durch Be-

  von deren Erregung öder iii an-

  derer an sich bekannter Weise ini Sinne eines

  Ausgleichs der Drehzahlabweichung. Um nuii

  bei groben Drehzahlabweichungen eili Außer-

  trittiallen der Regeleinrichtung zu verhindern,

  wird der Tachometerd@-nanio B noch auf einem

  zweiten Wege Energie entnommen und über

  tlen Gleiclirichter U und den einstellbaren

  Widerstand V zur Hilfserregerspule P geleitet,

  die wie die Spule O auf dem Magneten S der

  zusiitzlichen Regeleinrichtung aufgebracht ist.

  Der mit der zu überwachenden Maschine ge-

  kuppelten Dynamo B wird auf diese Weise

  also die Energie für beide Regeleinrichtungen,

  iiir die genau arbeitende Feinregeleinrichtung

  des Schwingungsystems und die gröber ar-

  biiteiide Regeleinrichtung des Magnetsystems

  elitiloinnien. Beide Regeleinrichtungen arbei-

  ten daher in unmittelbarer Abhängigkeit von

  der Drehzahl der zu überwachenden Ma-

  schine A so, daß bei jeder Abweichung vom

  Sf)II«,ert die ganze Anordnung wieder auf den

  eingestellten Resonanzpunkt des mechanischen

  Schwingungsystems zurückgebracht wird.

  Da bei einer Verstellung der Resonanzlage

  cles mechanischen Schwingungsystems auch

  uiiie Neueinstellung der Hilfserregung in der

  Spule P erforderlich ist, sind beide Einrich.-

  tungen zwangsläufig so miteinander verbun-

  den, daß bei Einstellung des Schwingung-

  svstems auf einen anderen Wert selbsttätig

  auch die Hilfserregung entsprechend geändert

  wird. Diesem Zweck dient beispielsweise die

  von Hand verstellte Spindel W, die zugleich

  init dem Schlitten R auch den Schieber des

  Widerstandes h bewegt.

Claims (1)

1. PATrNTAXSPRL`C73E: i. Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Elektromotoren mittels eines mechani- schen oder elektrischen Schwingungsy- stems, dadurch gekennzeichnet, daß in den die Drehzahlregeleinrichtung für die zu überwachende -Maschine enthaltenden Stromkreis eines in Abhängigkeit von dieser Drehzahl pulsierenden Wechsel- stromes die Kontakte eines mechanischen Schwinbungsystems oder der periodischen Schaltvorrichtung eines elektrischen Schwingungsysteins eingeschaltet sind, die beide ebenfalls in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl angeregt werden, so daß je flach der der Drehzahl der zu über- wachenden Maschine entsprechenden Pha- seillage des Schwingungsystems andere etwa eileer halben Periode entsprechende Teile dieses Wechselstromes der Regelein- richtung zugeführt werden. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, da- durch gekennzeichnet, daß der in Abhän- gigkeit von der Drehzahl der zu über- wachenden Maschine von den Schwin- gullgsystenicngelieferte pulsierende Gleich- strom über einen zusätzlichen Regler eine Einrichtung zur Beeinflussung der zu re- gelnden Drehzahl steuert. 3. Vorrichtung nach den Ansprüchen z und z, dadurch gekennzeichnet, daß neben der von dem Schwingungsystern gesteuerten, im engen Bereich sehr genau arbeitenden Regeleinrichtung noch eine an sich bekannte, in größerem Regelbereich gröber arbeitende Regeleinrichtung, z. B. eine zweite Spule auf dem Magneten des Kohledruckreglers vorgesehen ist, deren Erregung sich ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl der zu überwachenden Maschine im Sinne des Ausgleichs einer Drehzahländerung ändert, und daß die Solldrehzahl beider Regeleinrichtungen durch eine gemeinsame Verstelleinrichtung verändert werden kann.