-
Selbsttätige Regeleinrichtung Die Technik der selbsttätigen Gleichhaltung
bzw. der selbsttätigen Herbeiführung gewollter Veränderungen von Betriebsvorgängen
ist für solche Vorgänge, die nur langsame und in der Richtung einheitliche Veränderungen
aufweisen,' außerordentlich gut durchgebildet. Es bestehen hierfür die verschiedensten
Verfahren und Einrichtungen, die ihre Aufgaben mit bestem Erfolg erfüllen.
-
Derartige Einrichtungen versagen in der Regel jedoch dann, wenn es
sich um Betriebsvorgänge oder Zustände handelt, bei denen die Veränderungen sehr
schnell, und zw=ar vielfach auch in verschiedener Richtung rasch aufeinanderfolgend
auftreten. Der kritischste Fall ist wohl .der, claß die zu überwachende Größe in
schnellen, mit wechselnderR'ichtung erfolgenden .Schwankungen sich im Mittelwert
langsam von dem Sollzustand entfernt. Ein solcher Regelfall kann eine besondere
Steigerung der Schwierigkeiten erfahren, wenn die Betriebseinrichtungen eine wesentliche
Trägheit aufweisen.
-
Bei den bekannten elektrischen Regelverfahren und Einrichtungen wird
die Lösung eines solchen Regelfalles durch folgende Umstände erschwert. Ist der
vom Sollwert abweichende Meßstrom einem Relais zugeführt worden, so schließt dieses
Relais den Regelstromkreis so lange, bis der gewünschte Sollwert der zu regelnden
Größe wieder erreicht worden ist. Um zu vermeiden, daß bei starken Schwankungen
der zu regelnden Größe erhebliche Verzögerungen bis zur Erzielung des Sollwertes
eintreten, muß also ein auf die maximale Schwankung bemessener Regelschritt durch
das Relais ausgelöst werden. Diese Regelungsart führt zwangsläufig zu erheblichen
Pendelungen um den Sollwert.
-
Wird der vom Sollwert abweichende Strom in einer Brückenanordnung
zur Betätigung eines polarisierten Relais benutzt, so ergeben sich ähnliche Schwierigkeiten.
Gegenüber .der obenerwähnten Anordnung tritt nur der Vorteil auf, daß ein in der
Diagonale einer Meßbrücke liegendes polarisiertes Relais leichter auf Veränderungen
der zu regelnden Größe anspricht.
-
Die Verwendung von Fallbügelreglern zur elektrischen Regelung bringt
praktisch nur eine Verbesserung der Empfindlichkeit des Indikators für die Abweichungen
der zu regelnden Größe. Der Fallbügelregler ist an eine bestimmte Schaltzeit gebunden.
Aber selbst wenn der Fallbügelregler Regelschritte von verschiedener Größe auszulösen
vermag, so ist deren Abstufung doch aus mechanischen
Gründen so
begrenzt, daß der kleinste Regelschritt immer noch eine Pendelung um den Sollwert
hervorrufen muß.
-
Bei dem oben geschilderten schwierigen Regelfall würde jede der verschiedenen
elektrischen Regeleinrichtungen infolge der schnellen und kräftigen Schwankungen
der zu regelnden Größe eine fortgesetzte Folge voW gleich großen oder in geringer
Weise abge stuften Regelschritten zur Auslösung bringeii.' Dies führt zu einer erheblichen
Abnutzung aller bewegten Teile des Reglers und insbesondere beim Fallbügelregler
zu einer beträchtlichen Unruhe der zu regelnden Gröle. Es ist versucht «-orden,
diese Schwierigkeit durch die Einführung einer zweckentsprechend bemessenen Dämpfung
für den Indikator zu beheben. Diese Dämpfung kann aber nur eine konstante Größe
haben. Für den oben geschilderten Regelfall würde sich bei Einführung einer konstanten
Dämpfung die Schwierigkeit ergeben, daß einer plötzlich auftretenden starken und
bleibenden Veränderung der zu regelnden Größe erst nach Überwindung der im Impulsgeber
liegenden Dämpfung entgegengewirkt werden kann.
-
Den bekannten elektrischen Regeleinrichtungen haftet also der Mangel
an, aus den auftretenden schnellen Schwankungen der zu regelnden Größe in möglichst
kurzer "Zeit einen :Mittelwert zu bilden und verzögerungsfrei einen Regelschritt
zu veranlassen, der der mittleren Größe der eingetretenen Änderung entspricht.
-
Die vorliegende Erfindung ist eine elektrische selbsttätige Regeleinrichtung,
bei der aus den schnellen und kurzzeitigen Schwankungen ohne Rücksicht ,auf ihre
zeitweilige Richtung und Größe der in einem bestimmbaren Zeitraum sich ändernde
Mittelwert festgestellt und zur Abgabe eines dieser Größe entsprechenden Regelschrittes
veranlaßt wird. Die Auswertung der zeitlich aufeinanderfolgenden verschiedenen Abweichungen
vom Sollwert erfolgt praktisch verzögerungsfrei. Durch dieses Regelverfahren wird
erzielt, daß bei einer kleinen stetigen Abweichung ein kleiner Regelschritt erst
dann _ausgelöst wird, wenn die Abweichung eine festlegbare Dauer überschreitet,
ohne daß dabei das plötzliche Ansprechen auf eine erhebliche Änderung der zu regelnden
Größe mit einer durch Dämpfung erzwungenen zeitlichen Verzögerung erfolgt.
-
Zur Erfüllung dieser Aufgabe benutzt die Erfindung den neuen Gedanken,
im Mittelzweig einer elektrischen Brückenschaltung einen kleinen Elektromotor anzuordnen.
dessen Drehzahl und Drehrichtung von den Größenverhältnissen der Zweigwiderstände
abhängig ist. Einer der Zweigwiderstände «-ird vom Istwert beeinflußt. Die im Brükkeinnotor
dadurch frei werdende mechanische Energie wird über ein Getriebe und ein Kontaktwerk
zur Abgabe von Stroininipulsen benutzt, und zwar so, daß bei verschiedener Drehrichtung
des Brückenmotors zwei ver--schiedene Stromkreise beeinflußt werden. Diese wiederum
«erden einem Schaltwerk zugeführt, das die ursprünglich vorhandenen Impulse, die
eine von der Drehzahl abliänige Zeitdauer haben, in solche finit gleichbleibender
Zeitdauer umwandelt. Schließlich soll nach der Erfindung durch Einführung von Dämpfungs-
bzw. Verzögerungsgliedern die Zeitdauer der dein Stellmotor zuzuleitenden Stromimpulse
entgegengesetzt mit der Drehzahl des Briickeninotors veränderlich sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung, mit der die beschriebene
Regelung durchgeführt werden kann, ist bei einer Druckregelung in der Abbildung
dargestellt und nachstehend erläutert.
-
In dem Rohr z soll ein in Pfeilrichtung fließender Dampfstrom auf
konstanten Druck bei wechselndem Verbrauch oder bei wechseinder Zufuhr gehalten
werden. Als Regelorgan ist die Drosselklappe 2 vorgesehen, die über Ketten- und
Schneckenvorgelege von dem Stellmotor 3 verstellt wird. Der zu regelndeDruck wird
durch denDruckinesser 4 angezeigt. Dieser Druckmesser verändert die Einstellung
des Widerstandes 3 in einer Brückenschaltung. Der Widerstand6 ist zur Festlegung
des Sollzustandes regelbar. Im Diagonalzwei- der Brücke liegt ein kleiner Elektromotor
mit seinem Scheibenanker Die Stromzufuhr für den Scheibenanker erfolgt in normaler
Weise über Schleifbürsten und Kollektor. Das Feld des Motors wird von einem permanenten
Magneten 8 gebildet.
-
Bei dieser Anordnung ergeben sich folgende Verhältnisse: ;Der Brückemnotor
7 wird, je nachdem ob der Widerstand 3 größer oder kleiner als der Widerstand 6
ist, rechts oder linksb;crum laufen. Außer<lein ist die L'inlaufgeschwindigkeit
des Brückenmotors abhängig von der Stärke des durch die Differenz beider Widerstände
hervorgerufenen Stromes im Diagonalzweig der Brücke. Dieses gilt nicht mir für das
hier angeführte Beispiel einer Gleichstrombrücke, sondern auch bei allen bekannten
mit Wechselstrom arbeitenden Brücken. Der Einfachheit halber soll hier nur die Gleichstroinschaltun-
behandelt werden.
-
Der Anker des Brückenmotors wird zur Erzielung eines möglichst großen
Drehinoinentes zweckmäßig mit geringster Dämpfung ausgeführt. Um dieses zu erreichen,
wird die Wicklung in eine Scheibe aus- Isolierstoft
eingelegt.
Die Verhältnisse des Ankers können z. B. durch .zusätzliche Dämpfungsscheiben so
gewählt werden, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Ankers proportional dem zugeführten
Strom oder schneller als der zugeführte Strom steigt.
-
Die Umdrehung des Motorankers wird-mit Hilfe eines Schneckenvorgeleges
9 auf die Welle io übertragen. Diese Welle trägt eine Nabe i i mit einem radial
zur Welle stehenden Stift 12. In der Drehebene dieses Stiftes liegt die Zunge 14.
eines Kontaktgebers mit den beiden Kontakten 15 und 16. Bei der Umdrehung der Welle
io wird die Kontaktzunge 1.4 mittels des an ihrem Ende bPfestigten, schräg gestellten
Plättchens 13 mit im Bild steigenden Stift 12 gegen den Kontakt 16 und bei im Bild
fallenden Stift 12 gegen den Kontakt@i5 gelegt. Es können zur Erhöhung der Häufigkeit
der Impulse auch mehrere Stifte 12 auf der Nabe ii angebracht sein. Die Stifte können
zur Verminderung der Reibung kleine Rollen tragen. Ferner können .die Stifte anstatt
der Metallkontakte auch Ouecksilberkontakte betätigen. Die im Bild gegebene Darstellung
ist nur der besseren Deutlichkeit wegen gewählt worden.
-
Ein Stromkreis führt von der Stromquelle 17 ausgehend zu der Kontaktfeder
14 und wahlweise vom Kontakt 16 zu der Spule i9 oder vom Kontakt 15 zu der Spule
18 des Magnetschalters. Der Magnetschalter trägt ein Ouecksilberkontaktrohr mit
zwei sogenannten Wischkontakten 21 und 22. Dieser Wischkontakt wird dadurch bewirkt,
daß beire Neigen des Quecksilberröhrchens nach der einen oder anderen Seite zwei
nebeneinanderstehende Metallkontakte für kurze Zeit durch das Quecksilber verbunden
werden. Eine hinter den Metallkontakten stehende isolierende Wand verhindert, daß
beim Rücklaufen des OO.uecksil:bers der Stromkreis erneut geschlossen wird. Aus
der mit sinkender Häufigkeit der Impulsgabe .durch den Brükkenmotor steigenden Daher
der Primärimpulse für den Magnetschalter entstehen durch die Kontakte-- i
und 22 sekundäre Impulse von gleich langer Dauer. Ihre Zeitdauer kann :durch Einstellung
der Lage des Quecksilberrohres beeinflußt werden.
-
Entsprechend der Drehrichtung der Welle 1o wird entweder das Kontaktpaar
21 oder das Kontaletpaar 22 , geschlossen. Dadurch Wird ein elektromagnetischer
Motorumschalter 23 betätigt, der die Drehrichtung des Stellmotors 3 in zweckentsprechender
Weise ändert. Der ,Stellmotor läuft also für die Zeit der Verbindung der Kontaktpaare
21 oder 22 in der von der Umdrehungsrichtung .der Welle io abhängigen Richtung an.
Wenn also der Druckmesser 4 z. B. eine Verminderung der Druckes gegenüber deni -Sollzustand
feststellt, so wird der Brückenmotor 7 bei einer geringen Abwanderung langsam zu
laufen beginnen, und zwar in der Drehrichtung, die e'_ne weitere Öffnung der Drosselklappe
:2 bew:rkt. Sobald die Kontakte 14., 15 oder 1q., 16 geschlossen sind, erhält der
Stellmotor 3 über den Magnetschalter und den Umkehrschalter -33 einen kurzzeitigen
Stromimpuls, der eine weitere Öffnung der Drosselklappe 2 bewirkt. Es würde also
bei dieser Anordnung für jede `Änderung des Betriebszustandes vom Sollzustand ein
Impuls von gleicher Wertigkeit, aber mit einer von der Höhe und der Zeitdauer der
Änderung des Betriebszustandes abhängigen Häufigkeit erzielt werden.
-
In vielen Fällen wird dieses nicht erwünscht sein, sondern .es muß
angestrebt werden, daß für kleine Änderungen des Istwertes nicht nur Impulse geringer
Häufigkeit, sondern ,auch geringer Wertigkeit an das Regelorgan abgegeben werden.
Dieses ist insbesondere dann notwendig, wenn das Regelbereich sehr groß sein muß.
Uni diese Art der Regelung zu ermöglichen, ist es notwendig, die Zeitdauer der vom
Magnetschalter gegebenen Impulse im umgekehrten Verhältnis zur Zeitdauer der an
ihn abgegebenen Impulse zu ändern. Es ist einleuchtend, daß für eine geringe Abweichung
des Istwertes die Kontaktgabe zwischen der Kontaktzunge 14 und einem der beiden
Kontakte 15 und 16 länger sein wird als bei einer erheblichen Abweichung, da im
ersteren Falle die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors 7 viel geringer ist als
im letzteren Falle. Um dennoch die gewünschte Steigerung der an den Stellmotor 3
abgegebenen Impulse mit steigender Häufigkeit der primären Impulsabgabe herbeiführen
zu können, ist es notwendig, dem Magnetschalter eine Dämpfung. zuzuordnen, die entweder
von der Größe des dem Brükkenmotor zugeführten Meßstromes abhängig ist oder ihre
Wirksamkeit mit der steigenden Häufigkeit der Betätigung des Magnetschalters steigert.
Es können auch beide Maßnahmen vereinigt werden. Die Lösung dieser Aufgabe ist in
der Abbildung in zweifacher Form gezeigt worden.
-
Grundsätzlich ist zu sagen, daß die Kontaktzeit zwischen den Kontaktpaaren
2i bzw. 22 abhängig ist von der Neigung des Quecksilberröhrchens bzw. von der Geschwindigkeit,
mit der das Quecksilberröhrchen geneigt wird. Wenn also das Quecksilberröhrchen
in kurzer Zeit stark geneigt wird, ist die Kontaktzeit kurz, und bei langsamer Veränderung
bis zu einer geringen Schräglage wird die Kontaktzeit länger. Um diesen Effekt aus=
nutzen zu können, ist die Drehachse des Magnetschalters über die Welle 20 mit einer
von
ihm in Umdrehung versetzten Wirbelstromscheibe -2.I verbunden, die von dem Elektromagneten
25 umfaßt wird. Der Magnet wird erregt durch die Spule 26, die vom Brückenstrom
durchflossen wird. Wenn der Brückenstrom gering ist, also wenn die Impulsgabe kurz
sein soll, ist die Dämpfung an der Scheibe 24 sehr klein. Die Bewegung des Umschaltröhrchens
mit den Wischkontakten 2i und 22 wird also sehr rasch bis zur Endlage ausgeführt
«erden. Bei stärkerem Strom im Brückenzweige und damit erwünschtem längerem Stromimpuls
für den Stellmotor 3 ist die Dämpfung an der Scheibe 24 entsprechend größer, so
daß sich zugleich mit der Häufigkeit der Impulse auch ihr Leistungswert steigert.
-
Auf anderem Wege kann der erwünschte Erfolg auch erzielt werden, indem
man die beiden beweglichen Ankerkerne des Magnetschalters in ihren Bewegungen durch
die Luft oder Flüssigkeit dämpft. Zugleich wird der für diese Spulen 18 und i9 benötigte
Strom nicht unmittelbar der Stromquelle entnommen, sondern dem Kondensator 27, der
über den Widerstand 28 aufgeladen wird. Der Widerstand 28 ist regelbar, so daß man
die Aufladungszeit nach Wunsch bemessen kann. Wenn die Impulshäufigkeit gering ist,
so wird der Kondensator beim Schließen des Stromkreises für eine der Magnetspulen
stets voll aufgeladen sein. Der zur Verfügung stehende Strom überwindet die Dämpfung
der beiden Ankerkerne sehr rasch, und die Schaltzeit an den Kontaktpaaren 21 und
22 ist kurz. Steigert sich die Häufigkeit der Impulse, so wird die Aufladungszeit
für den Kondensator zu kurz. und den Magnetspulen wird eine geringere Energie zur
Verfügung stehen, so daß die Kontaktzeiten an den Kontaktpaaren 21 und 22 vergrößert
«-erden. Auch. hierbei wird der gewünschte Erfolg der Verlängerung der Impulszeit
für den Stellmotor 3 erzielt.
-
Es können auch andere Mittel, die hier nicht erwähnt. jedoch irn Rahmen
der Relaistechnik gegeben sind, den gleichen Effekt herbeiführen. Grundsätzlich
wird die Bewegung des Magnetschalters mit steigender Häufigkeit der auf ihn einwirkenden
Impulse kleiner werden. Man kann natürlicherweise auch bei elektrischer Wirbelstromdämpfung
zusätzlich noch die Anordnung des Kondensators 27 und Widerstandes 2,9 wählen. Es
ist einleuchtend, daß dieser Effekt so weit getrieben werden kann, daß bei großer
Häufig-],zeit der primären Impulse der Stellmotor 3 ununterbrochen Strom erhält
und eine. sehr rasche Änderung des Regelorgans :2 bewirkt.
-
Dieses Verfahren der Steigerung der Impulswertigkeit mit zunehmender
Impulshäufigkeit ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dein bisherigen
Stand der Technik, da ein solcher Regler die notwendige Feinfühligkeit für kleine
Abweichungen des Istwertes gegenüber dem Sollwert zugleich mit der erforderlichen
Beschleunigung des Regelvorranges bei plötzlichen starken Än-(1erungeii des Istwertes
besitzt.
-
Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung
ist ohne Schwierigkeit auch für den Betrieb mit Wecliselstroni sowohl für den Brückenmotor
als auch für den Stellmotor möglich. Hierbei ist nur die durch die Eigendämpfung
der W'irbelstrommotoren gegebene langsamere Umlaufzeit zu berücksichtigen. Ferner
ist die Anordnung des Magnetschalters mit seinen Wischkontakten nur als Ausführungsbeispiel
zu betrachten, da der heutige Stand der Technik eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten
für diesen Schaltvorgang offenläßt.
-
Die Vorteile der geschilderten Erfindung gegenüber den bekannten Regelverfahren
sind darin zu sehen, daß eine dem tatsächlichen Betriebsvorgang angepaßte Beeinflussung
des Regelorganes erfolgt. Es können sowohl stark schwankende Betriebsvorgänge als
auch solche mit großer Verzögerung oder mit Pendelerscheinungen ausgeregelt «erden.
Hierbei ist der Aufbau der Einrichtung sehr einfach und robust, trotzdem die =@nsprechempfindlichkeit
eines solchen Reglers außerordentlich hoch ist.