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Steuereinrichtung für Schiffsstabilisierungsanlagen Die Erfindung
bezieht sich auf Schiffsstabilisierungsanlagen, bei denen sich schwere Massen (Flüssigkeit,
Gewichte, Wagen o. dgl.) im Takte der zu bekämpfenden Schiffsschwingung hin und
her bewegen und diese Bewegung durch eine Fördermaschine, z. B. Gebläse oder Pumpe,
aktiviert wird. Die Dämpfungsmassen solcher Anlagen müssen nicht nur in ihrer Richtung
periodisch umgesteuert werden (Richtungssteuerung), sondern von großer Bedeutung
für die günstigste Ausnutzung der Stabilisierungsanlage ist auch die Lage des Zeitpunktes
der Bewegungsumkehr in bezug auf die Schiffsschwingungsperiode (Phasensteuerung).
Schließlich sind noch die von der Fördermaschine auf die Dämpfungsmassen ausgeübten
Verschiebungskräfte den schwingungsanfachenden Kräften des Seeganges anzupassen,
d. h. es ist auch eine Leistungssteuerung erforderlich.
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Im Hauptpatent ist eine Steuereinrichtung zur Ermittlung des die statische
Schräglage berücksichtigenden Steuerkommandos für Schiffsstabilisierungsanlagen
beschrieben mit einem träge ansprechenden Nachlaufmotor, dessen Steuerspannung der
Differenz zwischen Nachlaufbewegung und Schlingerwinkelweg proportional ist. Hierbei
dient als Steuerspannung des Motors die zwischen den beiden Kontaktarmen eines Spannungsteilers
abgegriffene
Spannung, wobei der eine Kontaktarm von einem Schlingerwinkelzeiger
verstellt und der zweite von dem Nachlaufmotor nachbewegt wird. Die Steuerspannung
wird also periodisch im Takte der Schiffsschwingungen unter Berücksichtigung der
Größe von Schräglagen- und Schlingerwinkel verstellt, so daß damit. die Richtung-
und Leistungssteuerung gegeben ist. Ferner ist mit dieser Anordnung in einfacher
Weise die Phasensteuerung durchführbar, indem - etwa durch eine Wirbelstrombremse
nach Patent 704992 - die Dämpfung des Nachlaufmotors verändert wird. Die eingangs
umrissene Aufgabe wird also mit dem bekannten Steuergerät gelöst, und zwar in der
Weise, daß die alle Erfordernisse berücksichtigenden Steuerkommandos in geschlossener
Form gewonnen werden. Die vorliegende Erfindung hat eine Verbesserung und weitere
Ausbildung dieses Steuergerätes zum Gegenstand und geht von der Erkenntnis aus,
daß, die Bewegungsvorgänge des Schiffes, insbesondere die Erschütterungen und Vibrationen
die Betriebssicherheit einer Spannungsteilerschaltung herabsetzen. Spannungsteiler
erfordern Gleitkontakte; infolge der erwähnten Bewegungseinflüsse ist der Kontaktdruck
Änderungen unterworfen, wodurch der an sich schon labile Lbergangswiderstand in
erhöhtem :Maße betroffen und geändert wird. Sieht man, was die Pegel sein wird,
elektrische Verstärkung vor, so werden auch die Änderungen des Übergangswiderstandes
verstärkt. Die auftretenden Fehler können erheblich sein und erfordern häufige Nachjustierung.
Alle diese Nachteile werden vermieden, wenn erfindungsgemäß die Spannungsteiler
durch Drehtransformatoren ersetzt werden, deren dein vorliegenden Zwecke angepaßte
bauliche und schaltungstechnische Anordnung ein weiteres erfinderisches Merkmal
ist. Demgemäß betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Ermittlung des die statische
Schräglage berücksichtigenden Steuerkommandos für Schiffsstabilisierungsanlagen
finit einem träge ansprechenden Nachlaufmotor, dessen Steuerspannung der Differenz
zwischen Nachlaufbewegung und Schlingerwinkelweg proportional ist, nach Patent 676
696; das wesentliche erfinderische Kennzeichen besteht darin, daß die Steuerspannung
von einem Drehtransformator geliefert wird, dessen Läufer nach der Differenz zwischen
Nachlaufbewegung des Motors und Schlingerwinkelweg einstellbar ist.
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In den Fig. i und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Bei der Anordnung nach Fig. i sind als Phasenregler ein Kreiselpendel
i und ein Nachlaufmotor 2 verwandt. Das Kreiselpendel i wirkt als Schlingerwinkelzeiger
und bewegt die `Felle 3 gemäß den Schlingerbewegungen q-. In der Zeichnung ist die
Welle 3 unmittelbar mit der Schwingachse des Pendels gekuppelt dargestellt. da es
hier nur auf die grundsätzliche Wirkungsweise ankommt. Bei der wirklichen Ausführung
werden die Bewegungen des Kreiselpendels im allgemeinen über eine Nachlaufeinrichtung
weitergegeben. Die periodischen Bewegungen der Welle 3 werden über den Kegelradtrieb
4 in ein Differentialgetriebe 5 eingeführt. Ferner wird in das Differentialgetriebe
j die Drehbewegung x des Nachlaufmotors 2 über die Welle 6 und den Kegelradtrieb
7 eingeleitet. Es resultiert eine Ausgangsbewegung :-x, die zur Einstellung der
Drehspule 8 eines Drehtransformators D, dient. Die Primärspannung wird dein Drehtransformator
über Schleifringe q zugeführt. In der feststehenden Spule Io wird eine dein
Drehwerte 99-x proportionale Sekundärspannung induziert, die als Steuerspannung
auf den Motor z gegeben ist. Es sei zunächst angenommen, das Schift schlingere um
seine Horizontallage. Die Steuereinrichtung ist so einjustiert, daß bei der Horizontallage
im Stator Io des Drehtransformators D1 die Spannung Null herrscht, der Motor 2 steht
also still. Um diesen Wert Null schwankt die Steuerspannung im Takte und Ausmaß
der Schlingerbewegungen, da die Drehspule 8 des Drehtransformators aus ihrer Nullage,
j e nachdem ob das Schiff nach Backbord oder nach Steuerbord schlingert, abwechselnd
im einen und anderen Sinne verdreht wird. Die dadurch hervorgerufenen Steuerspannungen
sind um i8o" phasenverschoben, so claß der Motor 2 bei schlingerndem Schiff das
Bestreben hat, abwechselnd im einen oder anderen Sinne umzulaufen. Der Motor 2 ist,
wie es für die Zwecke der Schiffsstabilisierung an sich bekannt ist, durch elektrische
oder mechanische Mittel #o stark in seiner Bewegung gedämpft, daß ur auf diese kurzperiodischen
Spannungsschwankungen nicht anspricht. Das Ergebnis ist also, daß der Motor 2 auch
weiterhin in seiner Ruhestellung verharrt.
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Als besonders geeignetes Dämpfungsmittel für den Nachlaufmotor ist
eine Wirbelstrombremse i i vorgesehen, deren Läufer auf der Welle 6 sitzt. Bei Drehbewegungen
des Motors «-erden in ihm Wirbelströme induziert, die die 'Motorbewegung hemmen.
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Es sei angenommen, das Schiff habe eine statische Schräglage x, ohne
claß ein Schlingern stattfindet. Der vom Kreiselpendel i i angezeigte Winkel ty
stimmt dann mit dem Schräglagenwinkel x überein, und es wird
eine
dem Winkel a proportionale Steuerspannung dem Motor :2 zugeführt, der somit je nach
der Richtung der Schräglage in dein einen oder anderen Sinne in Gang gesetzt wird.
Diese Motorbewegung wird in einem solchen Sinne und so lange über das Differentialgetriebe
5 auf die Drehspule 8 gegeben, bis die vom Kreiselpendel i hervorgerufene Verdrehung
der Drehspule 8 rückgängig gemacht ist. Dadurch geht die Steuerspannung auf Null
zurück, und der Motor steht still.
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Bei diesem Nachsteuervorgang hat die Motorwelle 6 aus ihrer Mittelstellung
heraus, die einem Schräglagenwinkel Null entspricht, einen x-proportionalen Drehwert
zurückgelegt, so daß die Schräglage a mittels des feststehenden Zeigers 13 an einer
auf der Welle 6 sitzenden Skala 12 abgelesen werden kann.
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In der Regel wird der Wert a, als Steuerwert für die Fördermaschine
benötigt, so daß er in geeigneter Form als elektrische oder mechanische Größe weiterzuleiten
ist. Soll der Wert x als Spannungswert dargestellt werden, so empfiehlt es sich,
einen weiteren Drehtransformator D, vorzusehen, dessen Läufer I4 von der Welle 6
angetrieben wird und seine erregende Spannung über die Schleifringe 15 zugeführt
erhält. In der feststehenden Spule 16 wird- alsdann eine dem, Schräglagenwinkel
a proportionale Spannung hervorgerufen, die unmittelbar an den Klemmen abgenommen
werden kann.
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Vollführt das Schiff um eine statische Schräglage Schlingerbewegungen,
so ändert sich nichts an dem eben beschriebenen Zustand. Der Kreiselpendel i vollführt
zwar jetzt Schwingungen um eine Mittelstellung, die der Schräglage a, entspricht;
aber auf die dadurch hervorgerufenen schnellen Spannungsänderungen in der Sekundärspule
Io des Drehtransformators D1 spricht, der Motor 2 voraussetzungsgemäß nicht an,
so daß lediglich so lange eine treibende Spannung vorhanden ist, bis der Ausgleich
erfolgt ist. Das ist der Fall, wenn die Welle 6 in die dem Schräglagenwinkel ä entsprechende
Stellung verdreht ist, und unbeeinflußt von den Schlingerbewegungen wird also auch
in diesem Falle in der Spule 16 ein dem Werte a entsprechender Spannungswert erzeugt
und an der Skala 12 die richtige statische Schräglage angezeigt.
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:Mathematisch betrachtet, kann die Schräglage a als Integrationswert
der Schräglagenwinkelgeschwindigkeit A aufgefaßt werden. Da andererseits der von
einem Motor zurückgelegte Weg dein Integral der Steuerspannung proportional ist,
der Motor 2 aber von der Steuerspannung p-α betrieben wird, kann somit α
angenähert gleich T-α gesetzt werden. Wird für die Steuerung der Schiffsstabilisierungsanlage
auch der Wert ä gebraucht, so kann dieser Wert als Spannungsgröße unmittelbar an
den Klemmen der Spule Io abgegriffen werden.
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Schließlich liefert die dargestellte Anordnung auch den Schlingerwinkel
q, als Spannungswert, wenn ein dritter Drehtransformator D3, bestellend .aus der
Drehspule 17 mit den Schleifringen 18 und der feststehenden Spule i9 vorgesehen
wird. Die Welle 3 treibt unmittelbar die Drehspule 17 an, und an den Klemmen der
feststehenden Spule I9 erhält man dann eine dem Schlingerwinkel (f, proportionale
Spannung.
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Die Drehtransformatoren Dl, D2 und D3 liefern also die Werte α,
a und q, die in der durch das Steuergesetz vorgeschriebenen Weise kombiniert werden
und damit die resultierende Steuergröße ergeben. In welcher Weise die einzelnen
Komponenten überlagert werden, hängt. von dem dem Steuervorgang zugrunde gelegten
Gesetz ab. Gegebenenfalls können noch weitere Steuergrößen, z. B. bei Tankstabilisierungsanlagen
die Tankflüssigkeitsstanddifferenz, berücksichtigt werden. Entsprechend der resultierenden
Steuergröße werden alsdann über Drehmagnete, Servomotore o. dgl. Steuerorgane verstellt,
z. B. der Drehschieber eines Gebläses betätigt oder der Anstellwinkel eines Verstellpropellers
verändert.
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Da die Schwingungsrichtung des Schiffes sich in dem Drehsinn der Phasenregler
und damit in der Phasenlage der in den Drehtransformatoren induzierten Spannungen
äußert (I8o° Phasensprung bei Bewegungsumkehr), ist somit durch die dargestellte
Anordnung eine mit den Schiffsschwingungen synchrone Richtungssteuerung gewährleistet.
Die in der Fördermaschine eingestellte Leistung ist bedingt durch die absolute Größe
des resultierenden Steuerwertes, also in der durch das Steuergesetz vorgeschriebenen
Weise abhängig von x, p usw. Schließlich kann auch die Phasenlage des Steuerkommandos
in bezug auf die Schiffsschwingungen durch Veränderung des Magnetfeldes der Wirbelstrombremse
i i beeinflußt werden. Die in Fig. i dargestellte Anordnung übt also gleichzeitig
die Funktion der Richtungs-, Leistungs- und Phasensteuerung aus.
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In Fig.2 ist eine Vereinfachung der eben beschriebenen Anordnung dargestellt,
die darin besteht, daß die durch die Drehbewegungen der beiden Phasenregler i und
:2 erzeugten Drehtransformatorspannungen q, und x zur Erregung zweier Transformatoren
T1 und T2 dienen, deren Sekundärwicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn hintereinandergeschaltet
sind, wobei alsdann
die so erhaltene resultierende Spannung als
Steuerspannung des Nachlaufmotors benutzt wird. Im übrigen ist die Anordnung nach
Fig. 2 genau so durchgebildet wie die nach Fig. i. Die in beiden Figuren übereinstiminenden
Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Der dem Kreiselpendel i zugeordnete
Transformator T1 (Fig. 2) besteht aus der Primärwicklung 2o und der Sekundärwicklung
2i; die Wicklung 2o liegt an den Ausgangsklemmen des Drehtransformators D3, so daß
in der Spule 21 eine dem Schlingerwinkel p proportionale Spanntang induziert «-ard.
In ähnlicher Weise erhält die Primärspule 22 des Drehtransformators D. die Ausgangsspannung
a des Drehtransformators D, zugeführt, die an der Sekundärwicklung 23 eine α-proportionale
Spannung hervorruft. Die Wicklungen 21 und 7,3 sind gegeneinandergeschaltet,
so daß eine Spannung T-α resultiert, die auf den Nachlaufmotor 2 gegeben wird.
Da nach obigem p-α gleich ä gesetzt werden kann, kann dieser Wert unmittelbar
von den Klemmen 2.4 abgenommen werden. Es ist dafür nicht, wie bei der Anordnung
nach Fig. i, ein besonderer Drehtransformator erforderlich. Weiterhin fällt das
Differentialgetriebe fort, das durch die Transformatoren T1 und T. in Differentialschaltung,
also durch eine einfachere Anordnung, ersetzt ist.