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Selbsttätige elektrische Drehzahl- oder Frequenzregeleinrichtung,
vorzugsweise zur Regelung von Wechsel- oder Umrichtern, die auf einen aus einer
Ofenspule eines elektrischen Induktionsofens und einem Ausgleichskondensator zusammengesetzten
Resonanzkreis arbeiten Es ist bekannt, die Eigenfrequenz eines elektrischen Schwingungskreises
gegenüber Binderungen eines seiner Schaltelemente dadurch konstant zu halten, daß
ein anderes Schwingkreiselement im einem entsprechenden Sinne geändert wird. Ein
Beispiel hierfür bietet der elektrische Induktionsofen. Hier schaltet man in Reihe
oder parallel mit der Ofenspule eine Kapazität und stimmt den so erhaltenen Schwingkreis
auf die Frequenz der Speisespannung ab. Man erreicht damit einen vollständigen Ausgleich
der induktiven Blindleistung des Verbrauchers durch .die k.ap.azitive Blindleistung
des Reihenkondensators. Ein solcher Ausgleich ist besonders wichtig beider Speisung
der Ofenspule durch Wechselrichter oder . Umrichter, da deren betriebssicher aussteuerbare
Höchstfrequenz mit wachsendem induktiv ein Phasenwinkel des Verbrauchers schnell
abfällt. Der kapazitive Ausgleich von Induktivitätsänderungen der Ofenspule, hervorgerufen
durch den Schmelz- oder Glühvorgang des Ofengutes, erfolgt hier in einem umständlichen
und grobstufigen Schaltproz.eß. Es werden nämlich einzelne Kondensatoren oder Kondensatorgruppen
einer Kondensatorbatterie im erforderlichen Maße zu- oder abgeschaltet. Das Schalten
der Kondensatoren muß dabei im spannungsfreien Zustand erfolgen, d. h. der Schaltprozeß
macht eine Unterbrechung des Glüh- oder Schmelzprozesses notwendig. Zur Vermeidung
dieses nachteiligen Verfahrens hat man vorgeschlagen, von der Konstanthaltun.g der
Schwingkreiseigenfrequenz abzugehen und statt dessen die
Frequenz
der Speisespannung den Änderungen der Schwingkreiseigenfrequenz anzugleichen.
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Die Erfindung betrifft eine in ihrer Zweckmäßigkeit und Einfachheit
sehr vorteilhafte Einrichtung zur selbsttätigen Ausübung des letzteren Verfahrens.
Sie gestattet überdies und ganz allgemein eine auf einfachste Weise vorzunehmende
Messung und Regelung von Drehzahlen und Frequenzen. Die Erfindung geht dabei von
bekannten Regeleinrichtungen aus, bei denen als Frequenz- oder Drehzahlindikator
einelektrischer Resonanzkreis dient. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf
die Frequenzregelung von Wechselrichtern oder Umrichtern, die auf einen Resonanzkreis
arbeiten, der aus einer Ofenspule eines elektrischen Induktionsofens und einem Ausgleichskondensator
zusammengesetzt ist. Erfindungsgemäß ist ein Regelgerät bzw. ein Regelkreis, der
die Drehzahl- oder Frequenzregelung bewirkt, von der Differenz zweier den Resonanzkreiseinzelgliedern
über umgesteuerte Ventilstrecken entnommenen elektrischen Größen mittelbar oder
unmittelbar gesteuert. Als steuernde Differenzgröße dient in besonders vorteilhafter
Weise die Differenz der an den Einzelgliedern eines Reihenresonanzkreises abgegriffenen
Spannungen.
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Es wurde bereits erwähnt, daß es an sich bekannt ist, einen elektrischen
Resonanzl:reis, unter anderem auch einen Reihenresonanzkreis, als Drehzahl- oder
Frequenzindikator zu verwenden. Von bekannten Anordnungen dieser Art unterscheidet
sich die Erfindung dadurch, -daß das Regelgerät, welches die Drehzahl- oder Frequenzregelung
bewirkt, über ungesteuerte Ventilstrecken von der Differenz zweier elektrischer
Größen gesteuert ist, die den Resonan-r_hreiseinzelgliedern entnommen sind. Bei
bekannten Regelanordnungen wurden zwar auch schon Ventilstrecken in Verbindung mit
einem Resonanzkreisindikator verwendet, jedoch geschah dies in der Weise, daß die
dein Resonanzkreis entnommenen Größen dein Gitterkreis eines gittergesteuerten Entladungsgefäßes
zugeführt wurden, während das Regel-oder -Meßgerät in den Anoden- bzw. Ausgangskreis
des Entladungsgefäßes geschaltet war. Der durch die Erfindung diesen bekannten Anordnungen
gegenüber erzielte technische Fortschritt liegt nicht nur in der Verwendbarkeit
einfachster Ventilstrecken, wie beispielsweise Trockengleichrichtern, sondern auch
in der Ausschaltung zusätzlicher Speisespannungsquellen für diese. Darüber hinaus
bedarf es bei der Einrichtung nach der Erfindung keinerlei besonderer in ihrer Genauigkeit
nur schwer durchführbarer und aufrechtzuerhaltender Maßnahmen, um zu einem phasenunabhängigen
Vergleich genannter Größen zu gelangen. Durch die letztere Eigenschaft ist die Einrichtung
nach der Erfindung erheblich und vorteilhaft von solchen ähnlichen Einrichtungen
unterschieden, bei denen man zum Zwecke genannten Vergleichs gesteuerte Hochval:uumelektronenröhren
verwenden wollte. Hier wäre eine vollständige Beseitigung des Phaseneinflusses nur
auf folgende Weise möglich: Man greift durch geeignete Wahl der zusätzlichen Anodenspannung
diejenige Röhrenkennlinie heraus, die mit ihrem unteren Auslauf in den Nullpunkt
der Koordinatenachsen einmündet, und läßt vermittels der Gittervorspannung erwähnten
Nullpunkt mit dem Kennlinienarbeitspunktzusammenfallen. Ganz abgesehen davon, daß
die einwandfreie Lösung dieser Aufgabe Kennlinien voraussetzt, die sich in einem
scharfen Knick von der Abszissenachse erheben, die also mit den heutigen Hochv akuumröhren
gar nicht erzielbar sind, würde auch die Aufrechterhaltung dieser Bedingung während
des Betriebes auf beträchtliche Schwierigkeiten stoßen.
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Die Erfindung besitzt erhebliche Vorzüge hinsichtlich der Frequenzregelung
solcher Wechsel- oder Umrichter, die einen Induktionsofen speisen. Hier ergänzt
man die Ofenspule mittels eines Kondensators zu einem Schwingungskreis, der auf
die Speisefrequenz abgestimmt ist. Diese Ergänzung führt nicht nur zu einem günstigen
Leistungsfaktor des energieliefernden Netzes, sondern auch zu einem stabilen Arbeiten
des Wechsel- oder Umrichters. Nun ändert sich aber mit dein Fortgang des Schmelzprozesses
die Induktivität der Ofenspule. Die Folge ist ein induktiver Phasenwinkel des Verbrauchers
und damit eine Verschlechterung des primären Leistungsfaktors wie auch eine Stabilitätsminderung
des Wechsel- oder Umrichters. Schon ein induktiver Phasenwinkel von 70° drückt die
Frequenz, die der Wechsel- oder Umrichter ohne Betriebsstörung im Höchstfalle abgeben
kann, auf 50 Per./Sek. herab. Wird der Wechsel- oder Umrichter trotzdem auf
höhere Frequenzen beansprucht, so kippt er, d. h. es kommt zu einer gleichzeitigen
Stromführung mehrerer Wechsel- oder Umrichterentladurigsstellen : das speisende
Netz wird kurzgeschlossen. Zur Vermeidung dieser erheblichen Nachteile hat man vorgeschlagen,
die Ausgleichskapazität durch Zu- oder Abschaltung weiterer Kondensatoren in dem
Maße zu erhöhen bzw. zu vermindern, wie die Induktivität der Ofenspule abnimmt bzw.
steigt. Der notwendige Schaltprozeß kann aber nur im spannungsfreien Zustand der
Kondensatoren, d. h. durch Unterbrechung des Betriebes, vorgenommen werden.
Die
'Erfindung vermeidet diesen betriebstörenden Schaltprozeß durch eine mit einfachsten
Mitteln und hoher Genauigkeit vorgenommenen Frequenzregelung der speisenden Wechsel-
oder Umrichter. Sie stellt dabei mit gleich hoher Genauigkeit einen guten primären
Leistungsfaktor wie auch die Stabilität des Wechsel- oder Umrichters sicher.
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Es ist vorteilhaft, die beiden Spannungsgrößen,' welche dem Resonanzkreis
entnommen werden, mit Hilfe eines mit Glättungsmitteln ausgerüsteten Doppelweggleichrichters
miteinander zu vergleichen. Die Erfindung gelangt dadurch zu einem von den -Phasenverhältnissen
der miteinander verglichenen Spannungen vollständig unabhängigen und darum sehr
einfachen Regel- und Meßverfahren. Dabei kann die Regelung sowohl vollständig ohne
als auch mit Hilfe umlaufender Apparaturen durchgeführt werden. Zur Frequenz- oder
Drehzahlmessung werden die von den beiden Gleichrichterzweigen gelieferten Gleichspannungen
in gegensätzlichem Sinne auf einen Stromkreis gegeben, der einen richtungsempfindlichen
Strommesser enthält. Die Ausschläge dieses Strommessers bilden dann ein Maß für
die Abweichung der Drehzahl oder der Frequenz von einem Normalwert in dem einen
oder anderen Sinne.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist die gebildete Differenzspannung
zur Steuerung von Relaisanordnungen mit regelbarer Vorspannung benutzt. Diese steuern
dann ihrerseits unmittelbar oder mittelbar die eigentlichen Regelglieder oder -kreise;
durch geeignete Wahl ihrer Vorspannungen hat man es dann in der Hand, Ansprechempfindlichkeit
und Regelgenauigkeit in so weitgehendem Sinne zu ändern, daß den verschiedensten
Betriebserfordernissen entsprochen werden kann. Als Relaisanordnungen sind dabei
vorzugsweise steuerbare Gas- _ oder Dampfentladungsstrecken vorgesehen. Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Im Ausführungsbeispiel der Abb. r bedeutet z einen Wechselstromgenerator,
beispielsweise einen Wechselrichter oder einen Umrichter, der von einem Röhrensummer
2 gesteuert wird. Der Generator i speist einen aus der Ofenspule 3 und dem Ausgleichskondensator
4 zusammengesetzten Reihenschwingkreis. An Endpunkte und Mittelpunkt des Resonanzkreises
sind zwei Gleichrichterkreise angeschlossen, die je für sich eine ungesteuerte Ventilstrecke
5 und einen Kondensator 6 sowie gemeinsam die Drosselspule 7 enthalten. Die Kathoden
der Ventilstrecken 5 sind über Drosselspulen 8 an die Enden der einen Wicklung der
Induktivität 9 angeschlossen. Die Mittenanzapfung dieser Wicklung und der gemeinsame
Zweig der beiden Gleichrichterkreise stehen miteinander in Verbindung. Die Enden
der zweiten Wicklung von 9 sind zu einem in der Zeichnung nicht wiedergegebenen
Kondensator geführt. Dieser und die Induktivität 9 bilden zusammen den Schwingungs-
oder Abstimmkreis des Röhr ensummers 2, dessen Frequenz mittels Gleichstrommagnetisierung
von 9 geändert werden kann. Als Ventilstrecken 5 dienen vorzugsweise Gas- oder Dampfentladungsstrecken,
es können aber auch andere Ventilstrecken, beispielsweise Trockengleichrichter oder
Hochvakuumglühkathodenröhren, zur Anwendung kommen.
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Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispieles nach Abb. z ist folgende:
" Stimmt die vom Generator z abgegebene Spannung in ihrer Frequenz mit der Eigenfrequenz
des aus Ofenspule 3 und Ausgleichskondensator 4 gebildeten Schwingungskreises überein,
so stellt dieser einen Ohmschen Widerstand dar. Es sind demzufolge die Spannungsabfälle
an Ofenspule 3 und Kondensator 4 einander gleich. Damit sind aber auch die von den
Gleichrichterkreisen gelieferten und durchKondensator 6 und: Drossel 7 geglätteten
Gleichspannungen von gleicher Größe. Den beiden Hälften der mittenangezapften Wicklung
der Induktivität 9 sind also zwei Gleichspannungen von gleicher Größe und einer
solchen Polarität aufgedrückt, daß es zu einer Gleichstromvormagnetisierung von
Induktivität 9 überhaupt nicht kommen kann. Es bleibt daher die Schwingkreisinduktivität
des Röhrensummers 2 wie auch die Frequenz der vom Generator r ausgesteuerten. Wechselspannung
unverändert. In der Fig. r sind die Polaritäten der Gleichspannungen, die an den
beiden Kapazitäten 6 und an den Hälften der mittenangezapften Wicklung von Induktivität
9 erscheinen, durch entsprechende -E- -Zeichen angedeutet. Aufgabe der Drosselspulen
8 ist es, jene Ströme abzudrosseln, die vom Röhrensummer 2 in der mittenangezapften
Wicklung von Induktivität 9 induziert werden.
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Erfolgt nun im Laufe des Glüh- oder Schmelzprozesses eine Induktivitätsänderung
der Ofenspule 3, so wird der Spannungsabfall an der Spule 3 entweder dem am Kondensator
4 überwiegen oder kleiner als dieser werden. In den Kathodenzweigen' der Gleichrichterkreise
treten demzufolge voneinander abweichende Spannungen auf. 'Die von diesen durch
die rechtsseitigen Wicklungshälften von Induktivität 9 getriebenen Ströme heben
sich nicht mehr in ihren magnetisierenden Wirkungen auf; es kommt zu einer Gleichstromcormagnetisierung
von Induktivität 9 und damit
zu einer Abstimmungsänderung des Schwingkreises
des Röhrensummers 2. Größe und Richtung dieser Änderung entsprechen einer neuen
Übereinstimmung zwischen der Eigenfrequenz des Reihenschwingkreises und der Frequenz
der vom Generator i abgegebenen Spannung.
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An die Stelle der in Abb. i gezeigten Ausbildung der Induktiv ität
9 kann auch eine solche nach Abb. i a treten. Die dem Röhrensummer 2 abgewandte
Wicklung von Induktivität 9 ist jetzt nicht mehr in der Mitte angezapft; ihre Enden
sind unter Zwischenschaltung einer Drossel B. der die gleiche Aufgabe zukommt wie
den gleichbezifferten Drosselspulen in Abb. i, an die äußeren Endpunkte der hintereinandergeschalteten
Widerstände io angeschlossen. Die Kondensatoren6 sind mit den gleichbezifferten
Kondensatoren der Abb. i identisch. Durch die genannte Wicklung von Induktivität
9 fließt je nach der Änderungsrichtung der Ofenspuleninduktivität ein Strom in der
einen oder anderen Richtung.
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Die Regelgenauigkeit der in den Abb. i und i a dargestellten Ausführungsbeispiele
ist unabhängig vonGrößenschwankungendervom Generator i abgegebenen Spannung, da
sich als Folge einer solchen Spannungsschwankung die Spannungsabfälle an der Ofenspule
3 und am Kondensator 4 stets im gleichen Verhältnis ändern.
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Will man die Frequenz einer der Ofenspule 3 und dem Kondensator 4
zugeführten Wechselspannung messen, so ist an die Pluspunkte der Widerstände io
von Fig. i a ein richtungsempfindlicher und in Frequenzen geeichter Strommesser
mit Vorschaltwiderstand zu legen und die Verbindung mit der Induktivität 9 zu trennen.
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In Abb. 2 ist ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben, bei dem Ansprechempfindlichkeit,
Regelgenauigkeit und Regelgeschwindigkeit in weiten Grenzen geändert werden können.
Schaltelemente, die aus den Abb. i und i a wiederkehren, sind mit den gleichen Ziffern
wie dort versehen.
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Es sind die Widerstände io über zwei weitere Widerstände i i zu einem
Stromkreis geschlossen. Die Außenenden der letzteren sind über weitere Widerstände
12 zu den Gittern zweier steuerbaren Entladungsstrecken 13, 14 geführt, während
ihr gemeinsamer Verbindungspunkt an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle
15 angeschlossen ist. Deren Pluspol steht mit den Kathoden der Entladungsstrecken
13, 14 in Verbindung. Die Stromkreise der beiden Entladungsstrecken 13, 14 sind
gebildet aus zwei getrennten Anodenzweigen, je einer Spule 16 der Relaisanordnung
17 und einem gemeinsamen Kathodenzweig. In den letzteren ist eine Glättungsdrossel
18 geschaltet und über einen Transformator i9 eine Speisewechselspannung eingeführt.
Die Anker der Relaisspulen 16 dienen der Steuerung von Arbeits- und Ruhekontaktpaaren
2o, 21
Dabei sind die zu einer Relaisspule gehörenden und gleichzeitig geschalteten Kontakte
mit gleichen Ziffern und gleichlautenden Buchstaben bezeichnet. Ihre Verschiedenheit
kommt durch Wahl von großen und kleinen Buchstaben zum Ausdruck. Die Arbeitskontakte
schließen die Gleichspannungsquelle 22 in der einen oder anderen Polarität an die
Feldwicklung des VerstellmotorS 23 an. Als solcher ist hier seines hohen Anlaufmomentes
wegen ein Hauptschlußmotor gewählt.
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Auch hier bilden sich an den Widerständen io verschieden große Gleichspannungen
entgegengesetzter Polarität aus, wenn infolge einer Änderung der Induktivität der
Ofenspule 3 die Übereinstimmung zwischen der Eigenfrequenz des aus Spule 3 und Kondensator
4 bestehenden Reihenschwingkreises und der Frequenz der vom Generator abgegebenen
Spannung aufgehoben wird. Die verschiedenen Spannungsabfälle an den Widerständen
io rufen einen Ausgleichsstrom über die Widerstände ii hervor, der zu entgegengesetzten
Aufladungen der Steuergitter 13 und 14 führt. Es wird damit je nach der Änderungsrichtung
von 3 die eine oder andere EntladungSstrecke ein zur Zündung führendes Steuerpotential
erhalten. Zündet beispielsweise die Röhre 13, so fließt ein Strom durch die zum
Kontaktpaar 21 gehörende Relaisspule 16. Deren Anker zieht an und schließt die Arbeitskontakte
21a und 21A. Als Folge hiervon treibt die Gleichspannungsquelle 22 einen Strom in
der Richtung des Ankers des Verstellmotors 23, Kontakte 21A, 20R und 21a durch die
Feldwicklung des Verstellmotors. Die Richtung dieses Stromes kehrt sich um, wenn
die Änderungsrichtung von 3 wechselt, damit die Röhre 14 zündet und die obere Relaisspule
16 erregt wird. Der Anker von Motor 23 kann unmittelbar auf den Schwingkreisdrehkondensator
oder mittelbar auf die Abstimminduktivität des Röhrensummers 2 einwirken. Im letzteren
Falle wird zweckmäßig ein Regelwiderstand verändert, von dessen Einstellung die
\'ormagnetisierung besagter Induktivität abhängt. Als Entladungsstrecken 13, 14
werden vorzugsweise Gas- oder Dampfentladungsstrecken benutzt. Zu ihrer Speisung
ist eine Wechselspannungsquelle vorgesehen, da andernfalls die einmal gezündeten
Röhren 13, 14 nicht wieder löschen würden. Mit der Höhe der Gittersperrspannung
von Röhren 13, 14
kann man Ansprechempfindlichkeit und Regelgenauigkeit
regeln. Änderung der Größe der speisenden Wechselspannung führt zu einer Änderung
der Regelgeschwindigkeit. An Stelle von steuerbaren Gas- oder Dampfentladungsstrecken
können hier auch gesteuerte Hochvakuumentladungsstrecken benutzt werden. Als deren
Speisespannung wäre dann sowohl eine Gleich- als auch eine Wechselspannung anwendbar.
Steht insbesondere ein Gleichstrommotor mit zwei Feldwicklungen zur Verfügung, so
findet dieser sehr vorteilhaft dadurch als Verstellmotor Anwendung, daß seine Feldwicklungen
mit entsprechender Polarität unmittelbar in die Anodenzweige der Röhren 13, 14 geschaltet
werden. Die Relaisanordnung 17 und die Gleichspannungsquelle 22 kommen dann in Fortfall.
Sämtliche Ausführungsbeispiele weisen einen regelbaren Ohmschen Widerstand iou auf.
Dieser dient dem Ausgleich des an der Ofenspule 3 auftretenden Ohmschen Spannungsabfalles.
Er stellt damit ein Mittel dar, die Abweichungen vom Resonanzzustand besonders genau
auszuregeln oder zu bestimmen.
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Mit der Einrichtung der Erfindung können Drehzahlen beliebiger Maschinen
geregelt und gemessen werden, nötigenfalls unter Überführung der Drehzahl in eine
elektrische Frequenz, beispielsweise . mit Hilfe einer Tachometerdynamo. Im Fall
elektrischer Maschinen wird durch die Einrichtung der Erfindung zweckmäßig eine
zusätzliche Erregung des Antriebsmotors gesteuert.