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Einrichtung zur Fernsteuerung eines elektrischen Antriebes Die Erfindung
betrifft eine Fernsteuereinrichtung für elektrische Antriebe, bei .der zur Erzeugung
großer Wechselströme, deren Frequenz proportional ist der algebraischen Summe der
Winkelgeschwindigkeiten von zwei oder mehreren mechanisch voneinander unabhängigen
Wellen, elektrische Maschinen verwendet werden.
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Nimmt man zwei mechanisch voneinander unabhängige Wellen an, von denen
die erste mit der Winkelgeschwindigkeit col und die zweite mit :der Winkelgeschwindigkeit
co2 umlaufen, so ist es häufig erwünscht, daß eine dritte Welle selbsttätig genau
mit: der Winkelgeschwindigkeit co, + to, umläuft, wobei die dritte Welle keinen
Einfluß auf die Bewegung der beiden anderen Wellen ausüben soll. Infolge der auftretenden
Verluste wird jedoch die dritte Welle nach Verlauf der Zeit t den Winkel c)1 #
t --E- c)2 # t -p umlaufen haben, wobei ß den Fehlerwinkel bedeutet,
der durch den Polradschlupf des -synchronen Antriebsmotors verursacht wird.
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Um einen elektrischen Antrieb gemäß der Summe oder Differenz von Winkelwerten
oder Drehzahlen mehrerer Wellen fernzusteuern, könnte man eine gewöhnliche fremderregte
elektrische Maschine mit ausgeprägten Polen, die mit konstanter Drehzahl läuft,
mit einem mehrphasigen Bürstensatz versehen, der, nur von der ersten Welle angetrieben,
auf dem Stromwender der Maschine umläuft. Dem Stromwender ist ferner noch ein fester
Bürstensatz zugeordnet, der mit einer Gleichstromquelle konstanter Spannung verbunden
ist, um die Drehzahl der Maschine konstant zu halten.
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Die zweite Welle treibt einen mehrphasigen Bürstensatz, ähnlich dem
Bürstensatz der ersten Welle, um den Stromwender einer elektrischen Maschine an,
die eine mehrphasige Ständerwickl:ung und einen Läufer mit einer gewöhnlichen Wicklung
besitzt. Die mehrphasige Ständerwieklung ist mit defl mehrphasigen Bürstensatz der
ersten elektrischen Maschine elektrisch verbunden. Diese zweite Maschine wird von
einem Hilfsmotor mit konstanter Drehzahl angetrieben.
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Die dritte Welle wird von einem Synchronmotor angetrieben, der eine
mehrphasige Ständerwicklung besitzt. Diese Ständerwicklung wird von dem mehrphasigen
Bürstensatz der zweiten. Maschine mit Strom versorgt.
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Die vorstehend beschriebene Anordnung arbeitet zufrie.denstellend,
wenn das entgegenwirkende Drehmoment der anzutreibenden dritten Welle klein ist,
beispielsweise in :der Größenordnung von einigen Milligramm. Die Anordnung liefert
aber kein ausreichendes
Ergebnis, wenn das entgegenwirkende Drehmoment
der dritten Welle in der Größenordnung von Millikilogramin sich bewegt. In diesem
Falle treten Schwierigkeiten auf. Die dem Synchronmotor aufgedrückte Wechselspannung
nimmt nämlich ab, wenn die Größe der Winkelgeschwindigkeit zunimmt. Infolgedessen
nimmt auch der dem Synchronmotor zugeführte Strom ab und reicht nicht mehr zur Entwicklung
des erforderlichen Drehinomentes aus, wenn das entgegenwirkende Drehmoment groß
ist. Weiterhin treten bei dieser Einrichtung Kommutierungsschwierigkeiten auf.
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Es ist auch bereits bekannt, zur Messung der Geschwindigkeit von Mehrschraubenschiffen
Hilfsgeneratoren vorzusehen, die von den Schraubenwellen angetrieben werden, und
die von den Hilfsgeneratoren erzeugten ENIKe zu summieren und einem Motor zuzuführen,
dessen Drehzahl dann der Summenspannung proportional ist. Eine derartige Einrichtung
ergibt jedoch keine genauen Werte, da die Genauigkeit von der gleichmäßigen Anordnung
der Erregerwicklungen, den gleichen Luftspalten usf. abhängt und die Herstellung
elektrisch völlig gleichwertiger Maschinen schwierig ist.
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Außerdem sind Vorrichtungen zur Regelung der Geschwindigkeit von Ferneinstellvorrichtungen
bekannt, die außer mit einer elektrischen Übertragungseinrichtung auch mit mehreren
übertragungsgledern, wie Reibrad- oder Zahnradgetrieben, versehen sind. Die Verwendung
derartiger fibertragungsglieder bedingt jedoch Ungenauigkeiten, die nur durch weitere,
die Regeleinrichtung verteuernde zusätzliche Mittel ausgeglichen werden können.
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Bei einer anderen bekanntgewordenen Fernsteuerung wird die von der
Summiereinrichtungabgegebene Wechsel spannung läuferseitig einem Synchronmotor zugeführt,
der einen dreiphasigen Bürstensatz auf dem Stromwender eines ruhenden Einankeruinformers
antreibt. Zur Erregung des Einankerumformers dient Gleich- oder Wechselstrom konstanter
Spannung. Bei Erregung mit Gleichstrom kann aber die vom Umformer abgegebene Leistung
entsprechend J # R nur klein sein, während bei Wechselstromerregung an den Bürsten
zwei Frequenzen auftreten, so daß zur Beseitigung der störenden Frequenz ein mit
den Bürsten synchron umlaufender Ständer mit einem Kurzschlußkäfig als Dämpferwicklung
vorgesehen -werden inüßte, um das die störende Frequenz hervorrufende Feld abzudämpfen.
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Nach der Erfindung -werden die Nachteile der bekannten Einrichtung
durch einen mit einem Konstantstrom gespeisten läufererregten Gleichstrom-Wechselstrom-Umformer
vermieden, der durch einen primärseitig von einer von der Suminiereinrichtung abgegebenen
Wechselspannung mit der Summe oder der Differenz der Winkelwerte oder Drehzahlen
proportionaler Frequenz gespeisten Svnchronniotor angetrieben wird und dem schleifringseitig
eine Wechselspannung abgenoinmen wird, die dem die zu steuernde Welle antreibenden
Synchronmotor zugeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
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In der Abb. i sind die drei mechanisch voneinander unabhängigen Wellen
mit 1, 2 und 3 bezeichnet. Die der ersten Welle i zugeordnete, finit konstanter
Geschwindigkeit angetriebene Kommutatormaschine q. besizt einen Läufer 5 mit einer
mit dein Stromwender 6 verbundenen Ankerwicklung und eineue massiven bzw. lamellierten,
wicklungslosen Ständer 7. Der Läufer 5 wird von dem an das Konstantspannungsnetz
io, i i angeschlossenen Gleichstrommotor 15 angetrieben. Auf dem Stromwender schleifen
zwei Bürsten 8, 9, über welche die Ankerwicklung aus dem Netz io, i i konstanter
Spannung mit Gleichstrom gespeist wird. Dein Stromwender 6 ist ferner ein mehrphasiger
Bürstensatz 12 zugeordnet, der mit der Welle i mechanisch und mit den Schleifringen
13 elektrisch verbunden ist. Den Schleifringen 13 wird über die Leitungen 1.4 ein
mehrphasiger Wechselstrom entnom,nien.
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Der Welle 2 ist eine Maschine 16, ähnlich der Maschine ¢, mit massivem,
wicklungslosem Ständer zugeordnet, während der Läufer 17 ebenfalls mit konstanter
Geschwindigkeit angetrieben und über den Stromwender 18, die Bürsten i9 und die
Schleifringe 2o aus dem Netz io, i i gespeist wird. Die Bürsten i9 sitzen auf der
Welle des Läufers 21 einer Synchronmaschine 22, deren Ständerwicklung 23 über .die
Leitungen 1.1 der von der ersten Maschine q. abgenommene Wechselstrom zugeführt
wird, während der Läufer 21 über die Schleifringe 24 mit Gleichstrom aus dem Netz
io, i i gespeist wird. Die Welle 25 trägt den Läufer 17 der Maschine 16 und ist
durch die hohle Welle des Läufers 21 hindurchgeführt. Sie wird durch den Läufer
26 des Gleichstrommotors 27 angetrieben, der in der üblichen Weise über einen Stromwender
und Bürsten an dem Netz io, i i liegt. Der Läufer 17 der Kommutatormaschine 16 ist
mit einem zweiten Stromwender 29 versehen, auf dem ein mehrphasiger, mit der Welle
2 mechanisch verbundener Bürstensatz 30 umläuft. Auf der Welle 2 sind ferner
Schleifringe 3i angeordnet, über die von dein Stromwender 29 ein mehrphasiger Wechselstrom
entnommen werden kann.
Dieser von der Summiereinrichtung abgegebene
Wechselstrom wird über die Leitungen 32 dem Ständer 33 einer Synchronmaschine 34
zugeführt, deren Läufer 35 aus dem-Netz io, i i über die Schleifringe 36 gespeist
wird. Der Synchronmotor treibt einen läufererregten Gl-eichstrom-Wechselstrom-Umformer
an, dessen Läufer 37 mit Gleichstrom konstanter Stärke über den Stromwender 39 von
einer nicht gezeichneten Stromquelle gespeist wird, um unabhängig von der Drehzahl
des Synchronmotors 43 ein konstantes Drehmoment zu erzielen. Die Läuferwicklung
ist über die Mehrphasenschleifringe 41 mit den Leitungen 42 verbunden. Der Umformer
38 besitzt einen wicklungslosen Ständer 40, so daß keine Drehmomentwirkung entstehen
kann und ;der Synchronmotor 34 lediglich die Verluste zu decken hat.
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Der Welle 3 ist eine Synchronmaschine 43 zugeordnet, und die Wicklung,des
Ständers 4.4 wird über die Leitungen 42 mit einem von den Schleifringen 41 abgenommenen
Mehrphasenwechselstrom gespeist. Der Läufer 45 ist über Schleifringe 46 mit dem
Netz verbunden.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Läuft die Welle i mit einer bestimmten
Winkelgeschwindigkeit co, um, so werden die durch die Bürsten 12 von .dem Stromwender
6 gesammelten Ströme in dem Läufer 5 einen Fluß erzeugen, der zum. Balancieren der
über den Stromwender an den Bürsten 8, 9 angelegten Gleichspannung ausreicht. Da
die Wicklung des Ständers 23 der Synchronmaschine 22 über die Leitung 14 von den
Bürsten 12 gespeist wird, wird der Läufer 21 mit der Winkelgeschwindigkeit o)1 umlaufen,
abgesehen von einer infolge des geringen Widerstandes der Maschine 22 praktisch
vernachlässi,gbarenDifferenz. Die mit dem Läufer 21 umlaufenden Bürsten ig werden
ebenfalls mit der Winkelgeschwindigkeit t)1 umlaufen.
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Wird nun die Welle 2 bei gleichzeitigem Umlauf der Welle i mit einer
Winkelgeschwindigkeit co, gedreht, so erzeugt der durch die Bürsten 30 gesammelte
Strom in - dem Läufer 17 einen Fluß, der zur Balancierung der an die Bürsten ig
angelegten Gleichspannung ausreicht. Die durch die Bürsten 30 gesammelten Ströme
werden über die Schleifringe 31 der Leitung 32 und damit der Wicklung des Ständers
33 der Synchronmaschine 34 zugeführt.
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Der Läufer 35 dieser Maschine wird sich daher mit der Winkelgeschwindigkeit
co, + co, drehen, abgesehen von einer Differenz, :die aber, da die Maschine 38 (der
Läufer 37 wird durch die Maschine 34 angetrieben) kein Drehmoment entwickelt, sehr
gering ist. Dem Läufer 37 :der Maschine 38 wird über den Stromwender 39 ein Gleichstrom
konstanter Stärke zugeführt. Dieser Gleichstrom erzeugt in dem Läufer 37 einen konstanten,
magnetischen Fluß, der mehrphasige Ströme in der Läuferwicklung hervorruft. Die
Frequenz dieser Ströme entspricht der Winkelgeschwindigkeit des den Läufer 37 antreibenden
Synchronmotors 34. Diese Ströme werden durch die Schleifringe 41 gesammelt und über
die Leitungen 42 dem Ständer 44 des SynchronmOtOrs 43, der die Welle 3 antreibt,
zugeführt. Die Welle 3 wird daher mit der Winkelgeschwindigkeit co, -+- a)2 - /3
umlaufen. ß, nimmt mit der Belastung der Welle 3 zu und ist gleich Null, wenn die
Belastung der Welle 3 gleich Null ist.
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Man kann natürlich den die Welle 3 antreibenden Synchronmotor 43 nicht
nur mit der Winkelgeschwindigkeit co, + c), betreiben, sondern ebensogut mit der
Winkelgeschwindigkeit col - co, Es ist hierzu lediglich die Drehrichtung
des die Bürsten ig antreibenden Synchronmotors 22 umzukehren. Weiterhin können Vorkehrungen
getroffen sein, :daß die Welle 3 mit der Winkelgeschwindigkeit k1 # tol + k2 # ß02
umläuft. Hierbei sind k1 und k2 Konstanten, die von der Größe der Polzahl der Maschinen
22 und 34 abhängig sind.
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Die Erfindung ist natürlich auch auf Anordnungen mit mehr als 3 Wellen
anwendbar. Sind beispielsweise tz Wellen vorhanden, so läuft der die zz-te Welle
antreibende Svnchronmotor mit folgender Winkelgeschwindigkeit um:
Hierbei bedeuten k1, k2, k3 ... kx .. . kn beliebige Konstanten und
col, u@2 . . . cox ... (o" die Winkelgeschwindigkeiten der ersten,
zweiten ... n-ten Welle. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht natürlich auch
die Summierung von Winkelwerten.
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In der Abb.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
Hierbei entsprechen die Maschinen 34 und 38 und 43 den mit den gleichen Bezugszeichen
versehenen Maschinen der Anordnung der A:bb, i. An Stelle der Maschine 4 der Anordnung
der Abib. i ist aber bei der Anordnung der Abh. 2 die Maschine 47 der Welle i zugeordnet.
Die Maschine 47 besitzt einen mit ausgeprägten Polen versehenen Ständer. Die Ständerwicklung
wird aus dem Netz io, i i über die Leitungen 49, 50 mit Gleichstrom konstanter Spannung
gespeist. Der Läufer 51 der Maschine 47 hat einen Stromwender 52, dem Gleichstrombürsten
53, 54 zugeordnet sind. Die Bürsten 53, 54 sind über .die Leitungen 55, 56 mit dem
Netz i o, ii verbunden. Die Welle i trägt Bürsten 57 und Schleifringe
58,
die die Leitungen 59 von dem Läufer 51 in der bei der Beschreibung der Anordnung
der Abb. i angegebenen Weise speisen.
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An Stelle der Maschine 16 der Anordnung der Abb. i ist eine Maschine
6o vorgesehen. Die Maschine 6o besitzt einen von den Leitungen 59 gespeisten Ständer
61. Der Läufer 62 wird durch die kleine Maschine 65 angetrieben. Die Maschine 65
wird über die Leitungen 63, 6q. aus dem Netz i o, i i mit Gleichstrom konstanter
Spannung gespeist. .Der Läufer 62 ist mit dem Stromwender 66 versehen. Die Bürsten
67 sind über die Schleifringe 68 und den Bürsten dieser Schleifringe mit den Leitungen
32 verbunden. Die Schleifringe 68 und ,die Bürsten 67 sind mit der `'gelle 2 mechanisch
verbunden.
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Die Wirkungsweise der Anordnung der Abb. -2 ist ähnlich der Wirkungsweise
der Anordnung der Abb. i. Die Maschine 47 läuft mit konstanter Geschwindigkeit um,
da sowohl Ständer als auch Läufer mit Gleichstrom bespeist werden. Der mehrphasige,
mit der Winkelbewegung der Welle i umlaufende Bürstensatz 57 speist die Leitungen
59 mit Strom, der dem Ständer 61 der Maschine 6o zugeführt wird und die Rotation
des Läufers 62 bewirkt. Die Bürsten 67 laufen mit der Winkelgeschwindigkeit der
Welle 2 um und speisen aus dem Stromwender 66 die Leitungen 32. Da die Leitungen
32 mit dein Ständer 33 des Synchronmotors 34 verbunden sind, rotiert der Läufer
35 mit einer Winkelgeschwindigkeit, die gleich der Summe der Winkelgeschwindigkeiten
der Welle i und 2 ist. Die Welle 3 rotiert daher mit einer Winkelgeschwindigkeit,
die gleich ist der Summe der Winkelgeschwindigkeiten der Welle i und 2 und einer
kleinen Differenz f>.