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Regeleinrichtung, insbesondere zur überwachung von elektrischen Betriebsgrößen
Die Erfindung bezieht sich auf eirie Regeleinrichtung, insbesondere zur Überwachung
von elektrischen Betriebsgrößen, welche einen von -der über-wachten Betriebsgröße
gesteuerten, Regel- oider Schaltvorrichtungen betätigenden Verstellmotor, insbesondere
einen Ferrarismotor, besitzt. Die bekannten Einrichtungen dieser Art arbeiten in
der Weise, daß das Antriebssysten# in Abhängigkeit von der zu überwachenden Betriebsgröße
(z. B. einer Netzispannung) erregt bzw. seine Kraftwirkung auf den angetriebenen
Teil durch diese Betriebsgröße ;derart verändert wird, daß sich der angetriebene
Teil in Abhängikkeit von der Abweichung der Betriebsgröße von ihrem Sollwert in
Bewegung setzt und die eigentlichen Regel- oder Schaltorgane zur Nachregelung der
überwachten Betriebsgröße in dem einen oder dem anderen Sinne betätigt. Hierbei
kann nun leicht eine Überregelung auftreten, indem nämlich infolge der Trägheit
der gesamten Regelapparatur auch bei Erreichen des Sollwertes der geregelten Betriebsgröße
-das Relais nicht sofort zum Stillstand kommt. Diese Überregelung macht sich in
einem dauernden, mehr oder weniger otarken Pentdeln der zu regelnden Betriebsgröße
um ihren Sollwert bemerkbar. . Gegenstand der Erfindung ist eine Regeleinrichtung,
insbesondere zur Überwachung von elektrischen Betriebsgrößen, mit einem von der
überwachten Betriebsgröße gesteuerten, die eigentlichen Regel- oder Schaltorgane
betätigenden Verstellmotor, insbesondere Ferrarismotor, bei dem dieser Nachteil
vermieden ist. Erfindungsgenläß werden zwischen dem Laufwerk des Verstellmotors
und dem eigentlichen Regelorgan zwei Kupplungen vorgesehen, die von dem Verstellmotor
selbst, und zwar bei Einwirken einer von der überwachten Betriebsgröße unmittelbar
gesteuerten Antriebskraft, auf dessen Laufwerk be-
tätigt werden und von denen
die eine bei Rechts- und,die andere bei Linksdrehung des Motors eine kraftschlüssige
Verbindung zwischen dem Laufwerk und dem eigentlichen Regelorgan herstellt und nur
so lange aufrechterhält, als die. Antriebskraft. auf ' das Laufwerk einwirkt.
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Erreicht bei di - eser Einrichtung die geregelte Betriebsgröße,
beispielsweise eine Netzspannung, während eines Regelvorganges ihren Sollwert -und
wird infolgedessen die auf den Läufer einwirkende Antriebskraft Null, so wird das
Laufwerk des Mo#tors sofort von dem eigentlichen Regel-oder
Schaltorgan
abgekuppelt. Selbst wenn hierbei das träge Laufwerk auch noch weiterhin in Bewegung
bleibt, kann also eine weitere Betätigung der Regelvorrichtung und damit eine Cberregelung
nicht erfolgen. Der Teil der Kupplung bzw. des Getriebes, der mit den Regel- oder
Schaltorganen g Verbindung dauernd in kraftschlüssiger bleibt, wird vorzugsweise
mit möglichst geringer Masse und geringer Trägheit ausgebildet.
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An sich sind Regeleinrichtungen bekannt, bei denen ein als Verstellvorrichtung
dienender Servomotor zeitweilig mit dem eigentlichen kegelorgan (z. B. einem Ventil
oder einem Regeltransformator) gektippelt wird. Bei den bekannten Anordnungen wird
jedoch die Kupplung durch ein zusätzliches, von der überwachten Größe gesteuertes
Relais be# wirkt. Demgegenüber besitzt die erfindungsgemäß (X ausgebildet#c Einrichtung
den Vorteil, daß der Ferrarismotor sowohl das eigentliche Regelorgän verstellt als
auch gleichzeitig zur el e b
Betätigung der zwischen seinem Laufwerk und dein
Regelorgan angeordneten Kupplung dient. Da der Ferrarismotor dabei unmittelbar von
der überwachten Betriebsgröße gesteuert wird, ergibt sich der weitere Vorteil, daß
er nicht dauernd läuft, sondern nur dann in Tätigkeit gesetzt wird, wenn leine Verstellung
des Regelorgans erforderlicli ist.
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Die Erfindung wird vorzugsweise in der Weise ausgeführt, daß in dem
Zahnradgetriebe zwischen dem angetriebenen Teil des Verstellmotors (Ferrarisläufer)
und den zu betätigenden Schalt- oder Regelorganen eines der Zahnräder beweglich
gelagert ist, und zwar derart, daß es bei beginnender Drehung nach der einen oder
der anderen Seite ausgeschwenkt wird und mit einem oder einem anderen weiteren.
Zahnrad, welche ihrerseits beide kraftschlüssig mit den eigentlichen Schalt- oder
Regelorganen verbunden sind, in Eingriff kommt. An dem Hebel, an welchem das schwenkbare
Zahnrad gelagert ist, ist vorzugsweise eine Feder befestigt, die bei Aufhören des
Drehmomentes die sofortige Auskupplung bewirkt.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfin#dung wird nicht ein einzelnes
Rad des Getriebes schwenkbar gelagert, sondern unmittelbar die Ferrarisscheibe selbst
bzw. ein Teil der Achse dieser Scheibe. Bel Auftreten eines Drehmomentes an der
Scheibe erfährt diese dann eine Auslenkung nach der einen oder der entgegengesetzten
Richtung derart, daß das an ihrer Achse angeordnete Kupplungsrad (Reibrad oder Zahnrad)
mit einem oder einem anderen weiteren Kupplungsrad, das mit den zu betätigenden
eigentlichen Regelo#rganen fest verbunden ist, in Eingriff kommt. Die vorzugsweise
waagerecht angeordnete Läuferscheibe des Ferrarisrelais kann zu diesem Zweck drehbar
in einem Rahmen gelagert werden, welcher seinerseits uni eine zur Drehachse des
Läufers parallele Achse schwenkbar ist. Das Antriebssystem des Relais (Triebkerne)
ist dabei unabhängig von dem schwenkbaren Rahmen fest angeordnet.
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Um das Drehmoinent züi vergrößern, kann es bei dieser Anordnung mit
schwenkbarer Ferrarisscheibe von Vorteil sein, außer dem Hauptantriebssystem weitere,
vorzugsweise konstant erregte Hilfsantriebssysteme vorzusehen, die einander entgegengesetzt
gerichtete Drehntomente erzeugen und derart angeordnet sind, daß sie erst bei Ausschwenken
der Scheibe nach der einen oder der anderen Richtung in Einwirkung auf die Scheibe
kommen und das Hauptantriebssystem in der Erzeugung eines entsprechenden Drehmoinentes
unterstützen.
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Insbesondere in den Fällen, in denen eine Ausschwenkung der Ferrarisscheibe
zwecks Kupplung, nicht unmittelbar möglich ist, wie beispielsweise bei den Anordnungen,
bei
denen die Kraftwirkung zwischen Antriebssystem und Läuferscheibe dadurch
geändert wird, daß die: Lage von Antriebssystern und Läuferschei,be relativ zueinander
in Abhängigkeit von der überwachten Betriebsgröße verändert wird, kann- es vorteilhaft
sein, nur einen Teil der Läuferachse bei Auftreten eines Drehrnomentes in der Läuferscheibe
auszuschwenken, die Läuferscheibe selbst bzw. deren Mittelpunkt dagegen fest angeordnet
zu lassen. Die Achse des Läufers erhält dann zweckmäßig ,einen Fortsatz, der mit
der eigentlichen Achse über eine verhältnismäßig starre Feder (oder eine Gelenkkupplung)
verbunden ist. Der Fortsatz kann dann so geneigt werden-, da13 er mit dem'Hauptteil
der Achse einen Winkel einschließt. Die Feder bewirkt jedoch, daß Hauptachse und
Fortsatz in der Ruhelage zusammen eine Gerade bilden. An dem oberen Ende des absch-,venkbaren
Teiles der Achse ist über eine Rutschkupplung ein Zahnrad angeordnet, -das mit einer
Zahnstange in Eingriff steht. Beginnt sich die Läuferscheibe zu drehen, so rollt
das Zahnrad an der Zahnst-ange ab, und der Fortsatz der Achse neigt sich uni einen
kleinen Betrag, welcher jedoch genügt, um das ebenfalls an den Fortsatz der Achse
befestigte Kupplungsrad mit den mit dem eigentlichen Regelorgan verbundenen Kupplungsrädern
in Eingriff zu bringen. Bei Nachlassen des Drehmomentes bewirkt die zwischen der
Hauptachse und dein Fortsatz befindliche Feder eine sofortige Entkupplung.
Damit
das Relais und die Regelorgane nicht schon bei kurzen stoßweisen Änderungen der
-überwachten Betriebsgröße ansprechen, kann es von Vorteil sein, ein Zeitverzögerungsorgan
vorzusehen.- Dieses wird erfindungsgemäß zwischender Kupplung und ,dem -eigentlichen
Schalt- oder Regelorgan eingeschaltet und einstellbar gemacht. Es kann somit die
Zeit eingestellt werden, die zwischen dem Kupplungsvorgang und dem Beginn der Betätigung
des Schalt- oder Regelorgans verstreicht.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung sei auf die Zeichnungen verwiesen,
in denen die Abb. 1, 3 und 4 drei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
darstellen.
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Die, Abb.:2 zeigt eine- Abart der Anordnung gemäß Abb. i und die Abb.
6 eine Ab-
art dek Anordnung nach Abb. 4.
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In Abb. 5 ist eine Vorrichtung zur Einstellung der Zeitverzögerung
dargestellt.
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In Abb. i bedeutet i den scheibenförmigen Kurzschlußläufer eines Ferrarisrelais,
welcher über Zahnräder 3, 3 und 5 bzw. 5' eine Schaltvorrichtung
antreibt. Die eigentlichen Schalt- oder Regelorgane können beispielsweise aus Quecksilberröhrchen
bestehen, die die Einschaltung eines Motors etwa zur Betätigung einesStufentransformators-
odereines sonstigen Spannungsreglers, falls es sich um die Überwachung etwa, einer
Netzspannung handelt, bewirken. Die Ferrarisscheibe selbst wird durch die beiden
Triebkerne2 angetrieben. Die Triebkerne sind durch die WicklungeliZ vorzugsweise
konstant erregt und erzeugen gegensinniggerichteteDrehmomente. Die beiden Wicklungen
2-' können gegebenenfalls auch zu einer einzigen, beide Kerne ?.-
umfassenden
Wicklung, die auch feststehend angeordnet sein kann, zusammengefaßt werden. In Abhängigkeit
von der überwachten -Netzspannung -,verden die Kerne ?- uni einen gewiss
- en Betrag über die Scheibe geschweiikt, so daß die Kr#Lftwirkung entweder
des einen oder des anderen Triebkernes auf die Scheibe überwiegt und,die Scheibe
somit in dem einen oderdem andern Drehsinne# angetriebenwird. Zu diesem Zweck sind
die Kerne an einem gabelförmigen Hebel 8, 8 angeordnet. Der Hebel wird durch
das Elektromagnetsystem 6, 7, welches in Abhängigkeit von der überwachten
Netzspannung mittels der Wicklung 7' erregt wird, geschwenkt.
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Die erfind:ungsgemäß ausgebildete Kupplungsvorrichtung zwischen der
Läuferscheibe i und den hier nicht näher mit dargestellten eigentlichen Regelorganen
besteht aus den Zahnrädern 3, 5 und 5. Das Zahnrad 3 ist an
einem Hebel 4 gelagert, dessen Drehpunk-t mit dem Drehpunkt des vorangehenden Zahnrades'3'
zusammenfällt. Überträgt nun dieses Zahnrad 3' ein Drehmoment auf das Zahnrad
3, so beginnt dieses auszuschwenken, und zwar entsprechend dem Drehmoment
nach der einen oder der anderen Richtung. Es kommt auf diese Weise bei Drehung im
Uhrzeigersinn mit dem, Zahnrad 5 und bei Drehungen entgegen,dem Uhrzeiger
mit dem Zahnrad 5' in Eingriff. Es wird somit beispielsweise entweder eine
mit dem Zahnrad 5
oder eine mit dem Zahnrad 5' gekuppelte Schaltröhre
betätigt und der Motor für das eigentliche Regelorgan damit im Sinne einer Aufwärtsregelung
oder aber einer Abwärtsregelung in Tätigkeit gesetzt. Hat dann die Netzspannung
ihren Sollwert erreicht, so wird das Drehmonient der Scheibe i und damit auch des
Zahnrades 3 geringer und dadurch das Zahnrad beispielsweise mittels Felderkraft
plötzlich in seine Nullage gerückt. Die Quecksüberschaltröhrchen fallen ab, und
der Motor wird sofort stillgelegt.
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Albb. 2 zeigt eine ähnliche Kupplungseinrichtung wie Abb. i. Als Kupplungsräder
sind hier jedoch an Stelle von Zahnrädern Reibräder verwendet. Für diesen Fall ist
es ,vichtig, um eine genügende Antriebskraft für die Kupplungsräder 35 und
35" zu erhalten, daß die Bewegung von Zahnrad 3' auf das bewegliche
Kupplungsrad 33 ins Schnelle ülbersetzt wird. Zu diesem Zweck treibt das
Zahnrad 3', dessen Mittelpunkt wie bei Abb. i mit dem Drehpunkt des Hebels
4 zusammenfällt, ein mit dem Reibrad fest verbundenes kleines Zahnra:d
33' an. Urn einen Antrieb der Reibräder 35 bz,v. 35' zu ermöglichen,
muß dann die-Beziehungu >
l'ss erfüllt sein ([i, ist Rei!bungskoeffizient"r33
und r33' sind -die Radien der entsprechenden Räder).
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Bei der Anordnung nach Abb. 3 bleibt die relative Lage der
Läuferscheibe i und des Antriebssystems 2 des Ferrarisrelais dauernd erhalten. Beide
Teile sind fest gelagert. Die Achse 25 der Läuferscheibe besitzt ejinen Fortsatz
25', der an ihr mittels einer starren Feder 24 befestigt ist. Der Teil 25**
ist also gegen 25 neigbar. Er trägt ein Kupplungsrad 3 und ferner
ein Zahnrad 28, das über eine Rutschkupplung 27 befestigt ist und
mit einer Zahnstange:29 in Eingriff steht. Bei Drehun 'g der Scheibe i rollt
das Zahnrad 28
an der Zahnstange 2-9 in der einen oder -der anderen Richtung
ab und drückt auf diese Weise das Kupplungsrad 3 gegen das mit dem eigentlichen
Regel- o;der Schaltorgan verbundene Kupplungsraid 5 bzw. 5'. Die Kupplungsräder
sind hier vorteilhaft als Reibräder ausgebildet. Bei Nachlassen des Drehmomentes
der Scheibe i schnellt der Teil 25"
infolge der Kraft der Feder 24 sofort
wieder in seine Nullage- und entkuppelt also Relais
und Regelorgan.
Bei der hier dargestellten Anordnung wirken die Kupplungsräder 5
und
5' üaber Kegelräder 8 und 8' (Zahnräder) auf ein und dasselbe
Rad9 ein. Das Ra;dg wird also bei Eingriff des RadOs3 in das Rad 5 bzw'.
in das Rad 5' in dem einen oder dem anderen Sinne angetrieben. Das Zahnrad
9 kann unmittelbar mit dem zu betätigenden eigentlichen Regelorgan verbunden
sein, so daß das Ferrarisrelais 1, 2 also u.nmittelbar als Motor zur Betätigung
-,des Reglers dient.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist in Abb. 4 dargestellt. Abb. 4a zeigt eine Seitenansicht und Abb. 4b eine Vorderansicht.
Die Läuferscheibe i des Ferrarissystems, die von dem hier z. B. aus zwei Kernen
42 und 42' bestehenden Trie-bsystem angetrieben wird, ist in einem schwenkbaren
Rahmen io gelagert.
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Das Relais soll beispielsweise zur Konstanthaltung der Netzspannung
etwa eines Dreiphasennetzes dienen, und zwar soll hierbei die verkettete Spannung
ST geregelt werden. An diese Spannung ist demgemäß das Erregersystem 42 angeschlossen.
Das System 42' liegt an einer dazu phasenverschobenen Spannung, und zwar der Spannung
RS. Die Kerne 42 und 42' erzeugen somit ein Drehfel,d, welches die Scheibe
i antreibt. Um hierbei die Drehrichtung ändern zu können, trägt der Kern 42 zwei
verschiedene ineinanderliegende Wicklungen, die gegeneinander geschaltet sind. Die
eine Wicklung ist über die Eisendrosselspule 32 und die andere, entgegengeschaltete
Wicklung über die Luftdrosselspule bzw. eine schwach gesättigte EisensPule
33 an die konstant zu haltende Spannung angeschlossen. Die beiden Erregerstromkreise
besitzen somit verschiedene Charakteristiken. Die von den Erregerströmen erzeugten
Flüsse heben sich bei einem bestimmten einstellbaren Sollwert der Spannung
ST auf. Es wird dann kein Drehmoment erzeugt. Bei Abweichen der Spannung
vom Sollwert nach oben oder unten entsteht zufolge der verschiedenen Charakteristik
der Erregerstro:mkreise ein magnetischer Kraftfluß in der einen oder der -anderen
Richtung, welcher dann mit dem vorzugsweise praktisch konstanten Fluß des Kernes
42' ein Drehmoment der einen oder ,der anderen Richtung erzeugt. Die Anordnu#ng
zeichnet sich durch außerordentlich große Ansprechempfindlichkeit, wie sie für Spannungswächter
gefordert werden 'muß, aus. Es kann zweckmäßig sein, das Trieb-System 42 in Zwei
Systeme aufzuteilen, die dann vorteilhaft symmetrisch zum Hilfstrieb-System
32' angeordnet werden.
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Wird die Scheibe i nun durch eine Kraft, welche zumindest mit einer
Komponente senkrecht zur Ebene des Rahmens io wirkt, in Drehung versetzt, so wird
außer der Drehung auch noch eine Auslenkung der Scheibe aus der Ruhelage nach links
oder rechts erfolgen. Zu diesem Zweck ist der Rahmen io an Torsion#sfäden 12 aufgehängt,
so daß er um die zur Achse 13 der Läuferscheibe parallele Achse 12 schwenkbar ist.
Die Achse 12 bzw. ihre Verlängerung geht zweckmäßig durch den Schwerpunkt des aus
der Scheibe und dem Rahmen io bestehenden Systems. Die Torsionsfäden bewirken, daß
der Rahmen, sobald keine Kraft mehr auf ihn ausgeübt wird, sofort in seine Nullstellung
zurückgeht. Ura dabei den Rahmen gegen andere Bewegungen festzumachen, ist es vorteilhaft,
die Torsionsdrähte 12, wie aus Abb. 4a ersichtlich, unmittelbar in der Nähe der
Befestigungsstelle am Rahmen io bei ig' nochmals zu lagern.
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Auf der Achse 13 der Läuferscheibe i sitzt das Kupplungsrad 14, welches
mit den Kupplungsrädern 15 bzw. 15' bei Ausschwenken des Rahmens io in Eingriff
kommen kann (Abb. 4b). Über diese Kupplungsräder 15 bzw. 15' und weitere Kegelräder
werden bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Quecksilberschaltröhrchen
gekippt. Zwischen Kupplungsrad 15 bzw. 15' und Quecksilberschaltröhrchen
17 bzw. 17' sindVorrichtungen 16, 16' zur Einstellung der Zeitverzögerung
und ferner Rückstellfedern 18, 18' angeordnet. Die Rückstellfedern bewirken bei
der Entkupplung der Räder 14, 15 bzw. 15' ein sofortiges Zurückgehen der Quecksilberschaltröhrchen
in ihre Ausgangslage. Dabei wird auch das Rad 16 bzw. 16' zurückgedreht,
bis eine an diesem Rad angeordnete 2\Tocke 29 (29') mit einem Anschlag
30 (30') in Berührung kommt. Der Weg, den diese Nocke :29 vom Anschlag
30 an bis zum erfolgten Kippeil des Quecksilberschaltröhrchens durchlaufen
muß, kann einstellbar gemacht werden, indem die Nocke:29 längs des Umfanges des
Rades 16 beliebig verschoben wird.
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In Abb. 5 ist eine derartige Verzögerungseinrichtung, die gleichzeitig
zum Betätigen des Kippschalters 17 dient, näher dargestellt. Das Rad 16
trägt eine Nocke 2 1, die bei Drehung des Rades in einen um den Punkt
32 drehbaren Hebel 31 eingreift und diesen neigt. Mit dem Hebel ist
das Quecksilberschaltröhrchen 17 verbunden. Es ist ferner eine zweite einstellbare
Nocke 26 vorgesehen, die in der Nullstellung an dem Anschlag 30
anliegt.
Die Nocke :26 ist ein um den Drehpunkt des Rades 16,drebbarer Hebel, dessen Lage
relativ zur Nocke 21 verändert werden kann, indem beispielsweise ein mit diesem
Hebel verbundener Stift in voneinander verschiedene
Löcher 22,
eingeführt wird.' Wird das Rad 16 in Richtung des Pfeiles angetrieben, so greift
die Nocke :21 in den ffebelarm 31 ein und schwenkt das Schaltröhrchen 17. Es ist
aus der Abbildung ohne weiteres zu ersehen, daß die Zeitdauer, die* zwischen der
Ankupplungder Räder 14 und 15, d.h. also zwischen dem Beginn des Anl#aufes des Rades
!6 und dem Eingreifen der Nocke2i in den Hebe134 verstreicht, durch Veränderung
der Relativlage des Hebels :26
zur Nocke 21 verändert wird. iS ist die Rückstellfeder.
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An der Scheibe i ist bei dem in Abb. 4a dargestellten Ausführungsheispiel
noch eine Wirbelstromb#einse 2o vorgesehen, welche so bemessen ist, daß ein Kuppeln
der Räder 14 und 15 bzw. 15' erst dann stattfindet, wenn die Antriebskraft der Kerne423
und 42' auch tatsächlich genügend groß ist, um die Kqpplung auch mit Sicherheit
durchzuführen.
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Abb.'6 zeigt eine abgeänderte Ausführungstorm der Anordnung nach Abb.4,
bei welcher,das Ausschwenken der Scheibe i zur Erzeugung eines zusätzlichen Drehmomentes
benutzt wird. Mit io ist hier wieder der um die Achse 12 schwenkbare Rahmen bezeichnet,
in welchem sich die Scheibe i um die Achse 13 drehen kann. Außer dem Haupttriehsystem
2, das in Abhängigkeit von der überwachten Betriebsgröße, beispielsweise einer Netzspannung
*erregt wird, sind weitere Hilfstriebsysteme223 und-23"vorgese#hen, die vorzugsweise
konstant erregt sind und voneinander unabhängig, entgegengesetzt geric> tete Drehmomente
erzeugen. Die Triebkerne sind dabei derart angeordnet, daß sie praktisch erst bei
Ausschwenken der Scheibe i in Kraftwirkung mit der Scheibe kommen. Wird die Scheibe
beispielsweise von dem Erregersystem 2 in Richtung des angezeichneten Pfeiles angetdeben,-
so erfolgt eine Ausschwenkung der -Scheibe nach rechts. Da,-durch tritt die Scheibe
aber mehr in den Luft-spalt fdes ` Triebkernes :23 ein, während sie etwas
aus dem Luftspalt des Kernes:23" hinaustritt. Es wird also von den Kernen
23
und 23' ein re-sultierendes Drehmoment erzeugt, -welches das vom
Triebsystem ?, erzeugte Drehmoment unterstützt. Derselbe Vorgang im umgekehrten
Sinne findet statt, wenn das Haupttriebsystem ein Drehrnoment erzeugt, welches,
die 'entgegengesetzte Richtung des eingezeichneten Pfeiles besitzt.