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Anordnung zur Regelung der Drehzahl bzw. der erzeugten Frequenz von
elektrischen Maschinen Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung, die selbsttätig
die Frequenz einer elektrischen Maschine, z. B. eines Wechselstromgenerators, eines
Umformers od. dgl., überwacht und wirksam wird, sobald die erzeugte Frequenz die
Normalfrequenz innerhalb bestimmter Grenzen unter- bzw. überschreitet.
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Es sind eine Reihe von Regelanordnungen bekannt, die eine für die
Normalfrequenz abgeglichene Brückenschaltung benutzen, bei denen durch eine Freduenzänderung
eine Störung des Brückengleichgewichts hervorgerufen und dadurch das Ansprechen
einer Regelvorrichtung, z. 13. einer gittergesteuerten Elektronenröhre, bewirkt
wird, die beispielsweise das Ein- und Abschalten bzw. die Änderung eines Zusatzfeldes
zur Folge hat.
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Es sind ferner Einrichtungen bekannt, bei denen mit der welle des
zu regelnden Motors eine Gleichstromtachometermaschine gekuppelt ist, welche über
einen Schnellregler die Erregung eines mit dem Motor in Leonardschaltung verbundenen
Generators beeinflußt und dadurch die Motordrehzahl konstant hält.
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Sehr viele dieser Anordnungen haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht
für verschiedene Maschinengrößen anwendbar sind, außerdem ist vielfach keine einfache
Sicherung gegen das Durchgehen der Maschine vorhanden. Hinzu kommt ferner, daß ein
Pendeln der Maschine
verhindert werden muß und daß vor allem eine
leichte Einstellbarkeit des Reglers erwünscht ist.
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Die Erfindung benutzt zur Regelung der Drehzahl bzw. der erzeugten
Frequenz von elektrischen Maschinen ebenfalls eine für die Normalfrequenz abgeglichene
Brückenanordnung, deren Ausgangsspannung über eine Regeleinrichtung, z. B. eine
gittergesteuerte Dampf- oder Gasentladungsstrecke, die Erregung des zu regelnden
Motors beeinflußt. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die besonders zweckmäßige
und vorteilhafte Vereinigung der nachstehend bezeichneten, wenn auch zum Teil als
solche einzeln schon bekannten Merkmale: i. Die bei Normalfrequenz abgeglichene
Brückenanordnung ist als gleichstromgespeiste Regelbrücke ausgebildet. 2. Die mit
der zu regelnden Drehzahl bzw. Frequenz veränderliche, der Regelbrücke zuzuführende
Spannung wird mit Hilfe einer Wechselstromtachometerdvnamomascliine als Wechselspannung
erzeugt und in einem nachgeschalteten Gleichrichter gleichgerichtet. 3. Die Regelbrücke
enthält außer Ohmschen Widerständen fester Bemessung in dem einen Zweig ein Element
mit konstantem Spannungsabfall. z. B. einen Stabilisator. und im anderen Zweig eine
gittergesteuerte Elektronenröhre, deren Steuergitter die gleichgerichtete Tachometerspannung
zwecks Steuerung des Gleichgewichtszustandes der Brücke zugeführt wird.
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Die Anordnung nach der Erfindung wird zweckmäßigerweise so bemessen,
daß der an der Elektronenröhre bei Sollfrequenz auftretende Spannungsabfall mit
dem Spannungsabfall am Stabilisator oder an einer bestimmten Teilentladungsstrecke
desselben übereinstimmt und daß gleichzeitig der Spannungsabfall am Stabilisator
oder an. einer Teilentladungsstrecke desselben als negative Gittergleichvorspannung
in Reihe zur Regelgleichspannung im Gitterkreis der im anderen Brückenzweig liegenden
Elektronenröhre eingeschaltet ist. Mit Hilfe der an der abgeglichenen Brückenanordnung
sich ergebenden Ausgangsspannung wird beispielsweise über mindestens eine gittergesteuerte
Gasentladungsstrecke oder auch mittels einer Leonardschaltung die Steuerung des
zum Antriebsmotor der zu regelnden Maschine gehörigen Zusatzfeldes bewirkt.
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Wie weiter unten noch beschrieben wird, kann bei einer gegebenenfalls
auftretenden Betriebsstörung des Reglers, etwa beim Ausfall eines Rohres od. dgl.,
die sich durch plötzliche Drehzahländerung bemerkbar macht, die Reglereinrichtung
zweckmäßig durch ein im Brückenausgangszweig liegendes Relais abgeschaltet werden.
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An Hand der in der Abbildung dargestellten Schaltung seien die Einzelheiten
und die Wirkungsweise der Erfindung erläutert.
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Mit i sei ein Gleichstromnetz bezeichnet, dessen Spannung gegebenenfalls
mittels eines Spannungsgleichhalters od. dgl. in einfacher 'Weise bereits auf annähernd-
konstanten Wert vorgeregelt sein kann. Mit G und M sind der Generator und Motor
eines Umformers bekannter Ausführung bezeichnet. Die Wicklung 2 sei das Erregerfeld
des Wechselstromgenerators G; die Wicklung 3 bezeichnet das Hauptfeld des Gleichstrommotors
_Il, der in an sich bekannter Weise noch ein Zusatzfeld 4 besitzt, welches über
die Kontakte dl und d. eines Relais D parallel zum Hauptfeld am Gleichstromnetz
geschaltet oder durch den Regler betätigt sein kann. Die Regelung mittels des Zusatzfeldes
.4 erfolgt in Abhängigkeit von Änderungen der zu regelnden Drehzahl gegenüber der
Normaldrehzahl. d. h. in Abhängigkeit von der Brückenausgangsspannung. Auf der Welle
des Umformers sitzt außerdem noch ein Tachometerdvnamo T. der zweckmäßigerweise
z. B. als '\@'echselstromgeiierator mit Permanenterregung ausgeführt ist, welcher
gegenüber Gleichstromtachometern bekanntlich nicht den Fehler des Bürstenübergangswiderstandes
aufweist, was im Falle der vorliegenden Erfindung von Wichtigkeit ist, da die abgegebene
Spannung des Tachometers möglichst genau der Drehzahl des Umformers entsprechen
muß, um die gewünschte, sehr genaue Regelung zu erhalten. Die Wechselspannung des
Tachometerdynamos gelangt über den Gleichrichter 6 und über die Glättungsanordnung
G zu einer Spannungsteilerschaltung, bestehend aus den festen Widerständen 7 und
8 sowie dem nach Maßgabe der gewünschten Frequenz des Netzes 3 einzustellenden Potentiometer
g. Von hier aus wird die der Drehzahl bzw. der erzeugten Frequenz des Generators
entsprechende Gleichspannung an den Punkt io der Brücke sowie an das Gitter 12 der
Röhre 13 gelegt. Die Brücke enthält als Hauptelemente in den einzelnen Zweigen die
Röhre 13, den Stabilisator 14 und die beiden Ohmschen Widerstände 15 und 16. An
zwei entgegengesetzten Punkten dieser Brücke, nämlich an den Punkten 17 und
18, wird die Gleichspannung angelegt, die dem zu regelnden Wechselstromnetz ig,
2o des Generators G in der in der Abbildung dargestellten Weise entnommen und dann
über die Leitung 2i, 22, den Transformator 23, den Vollweggleichrichter 2.1. und
die Glättungseinrichtung 25 geführt wird. Das Frequenznormal an der Brücke ist durch
den Spannungsabfall am Stabilisator 14 gegeben; zu diesem wird erfindungsgemäß der
Spannungsabfall an der Elektronenröhre 13
ins Verhältnis gesetzt und dabei
die gewünschte Regelfrequenz durch entsprechende Aussteurang
dieser
Röhre berücksichtigt. Der negative Pol der gleichgerichteten Brückeneingangsspannung
(Punkt i S) ist über den Kontakt d3 des Relais D bzw. über die Taste 42, welche
beide im ungeregelten Zustand und im Ruhezustand geöffnet sind, mit der Kathode
der Elektronenröhre 13 verbunden. Von der Mitte der Brücke wird an den Punkten 26
und 27 bei gestörtem Brückengleichgewicht eine Differenzspannung abgenommen. Diese
Brückenausgangsspannung wird nun zur Regelung der Drehzahl des Motors M und damit
zur Frequenzregelung des Generators G benutzt, indem sie z. B. über Leitung 28 einer
Steueranordnung mit mindestens einer gas- oder dampfgefüllten gittergesteuerten
Entladungsstrecke 29 zugeführt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit
der Brückenspannung eine Leonardschaltung zu steuern. Im Gitterkreis der Entladungsstrecke
29 kann in an sich bekannter Weise eine aus dem Wechselstromnetz gespeiste Brückenanordnung
30 vorgesehen sein zur Erzielung einer um 9o° gegenüber der Anodenwechselspannung
verschobenen festen Gitterwechselspannung. Gegebenenfalls kann auch noch eine feste
Gittergleichspannung vorgeschaltet sein. Über die Sekundärwicklung des Transformators
31 und über die Leitung 32 gelangt der Regelstrom über die Wechselkontakte d1, d2,
die zum Relais D gehören und bei Tätigkeit des Reglers umgelegt werden, zu dem Zusatzfeld
4, welches Je nach der Richtung und Größe der Differenzspannung an den Punkten 26
und 27 eine Verminderung bzw. Erhöhung der Drehzahl bewirkt, so daß die Frequenz
sich auf den Normalwert einstellt.
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Beiläufig wird hierzu bemerkt, daß das Abschaltrelais oder ein von
diesem gesteuertes Hilfsrelais als Umschaltorgan ausgebildet werden kann, welches
beim Unwirksamwerden der Regelung das bisher geregelte Zusatzfeld des Motors an
eine feste, beispielsweise durch normale Feldregler einstellbare Spannung anschließt.
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Das Ein- bzw. Ausschalten des Reglers wird selbsttätig von den Relais
bewirkt, deren Wirkungsweise nun beschrieben werden soll. Der> Zeitpunkt der Schaltung
kann dabei gegebenenfalls durch die Druckkontakte 42, 43 bestimmbar sein. Das Relais
A, welches in einem Brükkenzweig in Reihe mit dem Widerstand 15 angeordnet ist,
bekommt Strom, sobald der Umformer angefahren, der Wechselstromgenerator erregt
und der Schalter 21 eingelegt ist. Dieses Relais A zieht seinen Kontakt a an, der
im Gleichstromnetz vorgesehen ist. Außerdem zieht Relais B im Mittelzweig der Brücke
an, da die an die Brücke gelegte Spannung zunächst keinen Strom durch den Brückenzweig
der Röhre 13 treiben kann, weil die Kathode 33 dieser Röhre wegen des offenen Kontaktes
d3 kein negatives Potential erhält. Dadurch, daß das Relais B Strom bekommt, wird
im Nebenschluß des Gleichstromnetzes der Kontakt b geöffnet. In dieser Lage verbleibt
die Anlage beispielsweise 15 Minuten, d. h. ungefähr so lange, bis die Kathoden
der verschiedenen gittergesteuerten Entladungsstrecken angeheizt sind. Nun erst
wird zweckmäßig der Regler in Betrieb gesetzt, und zwar dadurch, daß die Taste 42
gedrückt wird, die eine überbrückung des noch immer offenen Kontaktes d;3 hergestellt
und dadurch das negative Potential an das Gitter 12 der Röhre 13 legt, so daß der
Brückenstrom auch durch diesen Zweig fließt. Hierdurch sinkt im Diagonalzweig der
Brücke die Spannung derart, daß das Relais B, welches in Reihe mit einer Glimmlampe
3.1 liegt, stromlos wird; der Kontakt b fällt damit ab und schließt den Stromkreis
der Relaiswicklung C, da das Relais A unter Strom bleibt. Infolgedessen zieht das
Relais C seinen Kontakt c an; dieser stellt seinerseits den N ebenschlußkreis des
Relais D her, so daß die Kontakte dl, d2 und d3 betätigt werden. Die Kontakte dl
und d2 bewirken die Umschaltung des Zusatzfeldes 4 vom Gleichstromnetz i auf den
Regler über Leitung 32; der Kontakt d3 hält die durch die Taste 42 hergestellte
Verbindung der Kathode der Elektronenröhre 13 mit dem negativen Pol 18 der Brücke
aufrecht.
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Die Maschine ist also geregelt, sobald die Drucktaste 42 betätigt
wird. Die Regelung vollzieht sich nun nach dem Einschalten des D-Relais und der
Umlegung seiner Kontakte in der vorhin beschriebenen Weise bei Drehzahl.- bzw. Frequenzabweichungen
von der Normalfrequenz innerhalb eines bestimmten Regelungsbereiches. In Abhängigkeit
von der dem Gitterkreis der Röhre 13 zugeführten, frequenz- bzw. drehzahlabhängigen
Regelspannung des Gleichrichters 6 ändert sich dabei der innere Widerstand der Röhre
13 und infolgedessen die Spannungsteilung an dem Spannungsteiler 13, 16. Demgegenüber
bleibt die an den Punkten 18 und 26 abgegriffene Spannung des Stabilisators 14 konstant,
so daß sich eine unter Umständen beträchtliche Differenzspannung im Ausgangszweig
der Brücke ergibt. Wie die Abbildung zeigt, kann die Spannung des Stabilisators
14 vorteilhaft gleichzeitig als konstante Vorspannung im Gitterkreis und im SchirmgitterkreisderRöhre
13 benutzt werden; im Interesse der geforderten, sehr hohen Regelgenauigkeit bzw.
Regelempfindlichkeit ist eine'Konstanthaltung derartiger Hilfsspannungen erforderlich
und kann so in einfacher Weise gewährleistet werden.
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Man kann beispielsweise durch Betätigung der Taste .43, die in Reihe
mit dem a- und b-Kontakt liegt, ein Abschalten des Reglers
währeild
des Betriebes erreichen, denn sobald diese Taste gedrückt wird, wird das Relais
C und damit auch das Relais D stromlos, so daß die einzelnen Kontakte d1 bis d.
eine Außerbetriebsetzung der Regelvorrichtung in der vorhin beschriebenen Weise
vornehmen.
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Um eine möglichst hohe Regelempfindlichkeit ausnutzen zu können, sind
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung außerdem innerhalb der Brückenanordnung
zwischen dem Potentiometer 9 und dem Punkt i z gegebenenfalls weitere Schaltelemente
vorgesehen, wovon beispielsweise die Anordnung der Widerstände und Kondensatoren
35, 36, 37, 38 als Dämpfungsanordnulig in an sich bekannter Ausführung geschaltet
ist. Bei großer Regelsteilheit weist die Maschine eine starke Pendelileigung auf;
zu deren Unterdrückung soll die angegebeneDämpfung derBriickenspannungsänderung
dienen. Der Ohmsche Widerstand 39 und der Kondensator .[o bilden eine Glättungsvorrichtung,
während der im Gitterkreis der Elektronenröhre 13 liegende Widerstand 41
als Schutzwiderstand dient.
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Neben den genannten Vorteilen ergibt sich erfindtingsgeinili durch
die Anordnung des Relais B eine zusätzliche Sicherung der Anlage, z. B. bei Ausfall
der Elektronenröhre 13, der Gasentladungsröhre 29 od. dgl. Fällt also z.
B. die Röhre 13 während der Regelung aus, d. li. ist der betrettende Brückenzweig
gesperrt oder kurzgeschlossen, so liegt am Mittelzweig der Brücke eine merkliche
Spannung, die so groß ist, daß die Glimmlampe 3,1 die Sperrung aufliebt und damit
auch das Relais B zum Anziehen bringt, welches seinen Kontakt b öffnet und in der
schon beschriebenen Weise die Frequenzregeleinrichtung selbsttätig außer Betrieb
setzt, ohne daß in der Anlage ein Schaden entsteht oder die Maschine durchgeht.
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Ähnlich verläuft der Vorgang, wenn beispielsweise die gittergesteuerte
Gasentladungsstrecke 29 während des Betriebes des Frequenzreglers ausfallen sollte.
Der Ausfall der Gasentladungsstrecke äußert sich dadurch, daß das Zusatzfeld d stromlos
wird, wodurch beispielsweise der 1-Iotor 1'4i eine höhere Drehzahl annehmen möge,
was zu einer Erhöhung der von dem Tachometerdynamo T gelieferten Spannung führt,
wodurch in der Brücke eine erhöhte Ausgangsspannung am Mittelzweig zwischen den
Punkten 26 und 27 entsteht. Die Glimmlampe, die nach dem Überschreiten einer gewissen
Mindestspannung anspricht, bringt dadurch auch das Relais B zum Anziehen, so daß
die Regleranordnutig wie vorhin gefahrlos abgeschaltet wird. In ähnlicher Weise
würde auch der Ausfall von anderen Elementen des Reglers eine merkliche Ungleichheit
in die Brücke bringen, so daß das Relais B zusammen mit der Glimmlampe 34 eine ausreichende
Sicherheitsvorrichtung darstellt. Als Ergänzung der Sicherheitsvorrichtung kann
das Relais <q dienen, welches abfällt, z. B. bei Ausfall des Vollweggleichrichters
2.1.
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Als ein weiterer besonderer Vorteil des Reglers nach der Erfindung
ist die einfache und leichte Einstellbarkeit der verlangten Drehzahl bzw. Frequenz
in einem großen Bereich zu werten, die vorzugsweise mittels des Spannungsteilerwiderstandes
9 vorgenommen werden kann, ohne daß dadurch die Arbeitsweise oder die Regelempfindlichkeit
beeinflußt wird. Durch die dargestellte Anordnung des Spannungsteilers 7, 8, 9 erreicht
man, daß die Brücke nicht belastet wird: auch der Tachometerdenamo braucht lediglich
die Leistung für den Spannungsteiler zu liefern. Außerdem können irr der Brückenanordnung
Temperatureinflüsse in einfacher Weise kompensiert werden, z. B. dadurch, daß man
anstatt der einfachen Ohrnschen Widerstände Eisenwiderstände vorsieht. Ferner ist
es von Bedeutung, daß der Regler für jede Maschinengröße verwendbar ist, was beispielsweise
erreicht wird durch entsprechende Bemessung der gittergesteuerten Gasentladungsstrecke
29, gegebenenfalls durch Hinzufügen weiterer Stufen. Hinzu kommt, daß der Regler
bei Raummangel od. dgl. getrennt von der Maschine aufgestellt «-erden kann. Der
wesentlichste Vorteil ist aber der, daß mit der angegebenen Anordnung, die sich
in einfachster Weise aus billigen Schaltelementen aufbauen läßt, eine äußerst hohe
Regelempfindlichkeit erreicht werden kann, d. h. aber eine Konstanthaltung einer
gewünschten Frequenz. bzw. Drehzahl innerhalb sehr enger Grenzen, und zwar mit einer
sehr geringfügigen Steuerleistung, die dadurch bedingt ist, daß die eigentlichen
Brückenstroinkreise keine Belastung für den steuerndenTeil der Anlage darstellen.