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Schalteinrichtung für Wechselstrom Bei Fernsteueranlagen will man
geradlinige oder Drehbewegungen verhältnisgleich, aber unter Zwischenschaltung eines
Verstärkers über eine gewisse Entfernung übertragen. Ein bekanntes Beispiel dafür
ist die elektrische Rudermaschine, bei der das Ruderlegen ohne großen Kraftaufwand
von Seiten des Rudergängers erfolgen soll. Durch eine Drehung des Steuerrades erhält
über einen Kontaktschalter der Zwischenverstärker Befehl und dreht das Ruder in
die gewünschte Lage, in der durch eine Rückdrehvorrichtung@der gegebene Befehl wieder
aufgehoben wird. Man will nun die mit offenen Kontakten arbeitenden Steuerungen
vermeiden, da sie ständiger Wartung bedürfen bzw. leicht Anlaß zu Störungen geben.
Es ist bereits ein bontaktloser Schalter für Wechselstrom bekannt, der aus einer
in Reihe mit dem zu schaltenden Gerät liegenden Drosselspule mit Eisenkern besteht.
Der Blindwiderstand dieser Drosselspule wird nun einmal durch gutem Leitwert des
magnetischen Krei(se@s auf
einen großen Wert gebracht und einmal
durch Verminderung des Leitwertes auf einen kleinen Wert beschränkt. Dieser bekannte
kontaktlose Schalter hat jedoch noch den Nachteil, daß er nicht in genügendem Maß
die Bedingung erfüllt, daß. der Widerstand der Drosselspule für die Stellung geöffneter
Schalter ein so großer ist, daß von einer Unterbrechung des Stromes gesprochen werden
kann, und das anderseits der Widerstand der Drosselspule für die Stellung geschlossener
Schalter so verschwindend gering ist, daß durch die Drosselspule keine schädlichen
Spannungsabfälle des durchfließenden Stromes verursacht werden. Bei der bekannten
Anordnung wird die Induktivität der Drosselspule durch die Annäherung und die Entfernung
eines Eisenteiles (Anker) geändert. Damit ist es aber nicht möglich, die Induktivität
der Drosselspule auf einen genüg°nd kleinen Wert zu bringen, weil nach der Entfernung
des Eisenteiles der Drosselkern auch für sich allein noch eine erhebliche Induktivität
aufweist.
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Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Schalter für Wechselstrom
der geschilderten Art, an dem dieser Nachteil der bekannten Anordnung vermieden
ist. Erfindungsgemäß verläuft der magnetischeFluß derDrosselspule sowohl in der
Einschaltstellung als auch in der Ausschaltstellung des Schalters im Eisen. Ferner
weist gleichzeitig das Eisen der Drosselspule zwei gegeneinander bewegliche und
für die Durchführung des Schaltvorgangs zwangsläufig in der gegenseitigen Lage gesteuerte
Teile auf, und in der einen gegenseitigen Lage dieser Teile (Einschaltstellung des
Schalters) ist der magnetische Fluß durch eine den Eisenpfad umschlingende kurzgeschlossene
Spule geleitet, in der anderen gegenseitigen Lage (Ausschaltstellung) dieser Teile
hingegen nicht. Dadurch, daß der magnetische Fluß in der Einschaltstellung durch
eine Kurzschlußspule geleitet wird, wird der Widerstand der Drosselspule derart
verringert, daß wesentlich--, Spannungsabfälle in der Drosselspule nicht mehr entstehen.
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Es ist bereits eine Einrichtung bekannt, bei -der ebenfalls zwei gegeneinander
bewegliche Eisenteile vorgesehen sind, wobei auf dem .°inen Eisenteil sich eine
von einer Wechselspannung gespeiste Wicklung befindet, während auf dem zweiten Eisenteil
sich eine kurzgeschlossene Wicklung befindet. Bei dieser bekannten Einrichtung handelt
es sich aber zunächst nicht um einen kontaktlosen Schalter, sondern um eine Einrichtung
zur Fernübertragung von Bewegungen bzw. Zeigerstellungen. Entsprechend diesem Unterschied
im technischen Zweck weist diebekannte Einrichtung auch wesentliche Unterschiede
in der Schaltung und in der Wirkungsweise auf. Bei der Erfindung liegt der kontaktlose
Schalter mit dem zu schaltenden Gerät in Reihe. Bei der bekannten Einrichtung ist
eine solche Reihen-I schaltung nicht vorhanden, da es auch kein zu schaltendes Gerät
gibt. Aber auch die Ausbildung der Drosselspule selbst ist wesentlich verschieden.
Bei der Erfindung nimmt -der bewegliche Teil der Drosselspule gegenüber dem festen
Teil zwei verschiedene Stellungen ein, je nachdem ob man durch den Schaltvorgang
den Wechselstrom einschaltet oder ihn ausschaltet. Der bewegliche Teil ist gegenüber
dem festen Teil zwangsläufig gesteuert. Bei der bekannten Einrichtung sollen Bewegungen
bzw. Zeigerstellungen übertragen werden, und dies wird dadurch erreicht, daß die
auf dem festen Eisenkern befindlichen Spulen verschoben werden und daß die auf dem
beweglichen Eisenkern befindlichen Kurzschlußspulen dieser Verschiebung folgen und
dadurch den beweglichen Eisenkern verdrehen. Nach jeder betriebsmäßigen Betätigung
des Apparates ist aber die relative Lage der Spule auf dem festen Eisenkern zu der
Spule auf dem beweglichen Eisenkern dieselbe. Dementsprechend ist auch der bewegliche
Teil der bekannten Einrichtung nicht zwangsläufig gesteuert. Er stellt sich vielmehr
frei nach dem vom festen Teil ausgehenden magnetischen Feldein und nimmtdementsprechendzudiesem
festen Teil stets dieselbe Relativlage ein. Schließlich ändert sich der die bekannte
Einrichtung durchfließende Wechselstrom bei der Betätigung des Apparates praktisch
überhaupt nicht. Eine Unterbrechung dieses Wechselstromes ist also auch nicht annähernd
vorhanden.
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Die Anordnung nach der Erfindung eignet sich insbesondere als kontaktloser
Schalter zum Betrieb einer Fernsteueranlage (Rudermaschine), wobei der V erstellmotor
der Rudermaschine ein Mhehrphaseninduktionsmotor (Kurzschlußläufer) ist, der über
kontaktlose Schalter ab- und zugeschaltet sowie umgesteuert werden kann. Der kontaktlose
Schalter kann dabei in an sich bekannter Weise durch eine Kulisse gesteuert werden,
die über ein Differentialgetriebe einerseits von einer Geberstelle (Kommandol),rücke,),
anderseits von. dem Verstellmotor betätigt wird. Wie bereits geschildert, 'kommt
es gerade bei diesen Verstellmotoren von Rudermaschinen darauf an, mit offenen Kontakten
arbeitende Steuerelemente zu vermeiden. Einerseits sind solche offenen Kontakte
gerade auf Schiffen besonders leicht Anfressungen ausgesetzt (Salzgehalt der Luft),
anderseits stehen aber auch auf Schiffen nicht immer Leute zur Verfügung, die derartige
mit offenen Kontakten arbeitende Einsrichtungen stets sachgemäß betreuen können.
Fig.
i der Zeichnung zeigt den Erfindungsgedanken auf eine kontaktlos gesteuerte Rudermaschine
angewendet. Es bezeichnet i das Ruder, das durch einen hydraulischen Servomotor
2 .gelegt wird, dessen Steuerkolben 3 einerseits unter dem Einfluß des Verstellm;otors
4, anderseits unter dem der Rückführung 5 steht. Diese Rückführung ist nötig, damit
der Steuerkolben stets wieder in die Nullage gebracht wird, wenn das Ruder eine
Sollstellung erreicht hat. Der Verstellmotor,4 ist ein einfacher Kurzschlußläufer,
dessen Ständer einmal für Rechtslauf und einmal für Linkslauf über die beiden kontaktlosen
Schalter 6 und 7 ans Drehstromnetz gelegt ist. Die beiden Schalter sind zweiphasig
dargestellt. Der magnetische Kreis entspricht dem eines mehrschenkligen Umspanners
und ist in einen festen und in einen beweglichen Teil aufgetrennt. Über die Spulen
auf dem festen Teil ist der Motor ans Netz angeschlossen. Die Spulen auf dem beweglichen
Teil sind für sich kurzgeschlossen. Der Schalter 6 ist in der Stellung dargestellt,
in der er den kleinsten Widerstand besitzt. In den festen Spulen kann sich kein
Fluß ausbilden, da er sofort durch die gleichachsig gegenüberstehenden kurzgeschlossenen
Spulen im beweglichen Teil unterdrückt wird. Der Schalter 7 besitzt in der gezeigten
Stellung den größten Widerstand; denn .der Fluß der festen Spulen kann sich ungehindert
im .magnetischen Kreis ausbilden. Dies ist durch zwei Feldlinien 8 und 9 angedeutet.
Da der Schalter 7 in dieser Stellung einen kleinen magnetischen Widerstand aufweist,
genügt schön ein kleiner Strom, um an ihm die volle Netzspannung entstehen zu lassen.
Der geringe Strom, der sich hierbei über den Motor ,4 schließt, vermag dort keine
nennenswerte Spannung zu erzeugen. Es wird daher im Motor die über den Schalter
6 nahezu ungeschwächt wirksame Netzspannung ein Feld z. B. für Rechtslauf ausbilden.
Der Motor wird sich; .so, lange drehen; bis der Schalter 6 ebenfalls in die dargestellte
Stellung des Schalters 7 gebracht ist. Der Motor wird dann nahezu spannungslos.
Es bleibt eine geringe Spannung am Motor bestehen, die noch dazu einphasig ist,
da die kleinen Spannungsreste hinter den Schaltern- am Motor gegenläufig wirken.
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Die beiden Schalter 6 und 7 werden durch eine Kulisse io so gesteuert,
-daß sie bei einer gewissen Stellung, der Nullstellung, den größten Widerstand besitzen.
Der Motor 4 ist in Ruhe nahezu spannungslos, was besonders wertvoll ist; weil keine
Gefährdung durch Stromerwärmung im Stillstand besteht. Bei Bewegung der Kulisse
-nach rechts erhält der Schalter 6 seinen Kleinstwert, der Motor arbeitet mit Rechtslauf.
Der "Schalter 7 behält weiterhin seinen größten Widerstandswert bei. Bei Bewegung
der Kulisse aus der Nullstellung nach links ist das Umgekehrte der Fall. Der Motor
läuft nach,der anderen Seite, der Schalter 6 behält seinen Höchstwiderstand bei,
und der Schalter 7 ist induktiv kurzgeschlossen. Der Motor läuft so lange, bis die
Kulisse wieder in die Nullstellung zurückgedreht ist. Dies geschieht durch eine
der bekannten Rückstellvorrichtungen. In Fig. i arbeitet der Motor 4 über die Welle
i i in das Differential 12 hinein, das mit der Differenzwelle 13 die Kulisse io
verstellt. Über die Welle 14 wird dem Differential der zurückzulegende Wegmitgeteilt.
Dies geschieht über die beiden elektrischen Ferndreher 15 und 16 vom Steuerrad 17
von der Kommandobrüche aus. Die Ferndreher sind einphasig im Ständer gespeiste Asynchronmotoren,
deren Läufer mehrphasig miteinander verbunden sind.. Wird 16 durch das Steuerrad
gedreht, so folgt 15 synchron mit und verdreht über das Differential i2 bei zunächst
noch stillstehendem Motor 4 die Kulisse io irr eine Stellung, die dem vom Steuerrad
17 zurückgelegten Weg entspricht. Der Motor 4. beginnt zu laufen und bewegt einerseits
den Steuerkolben 3 aus seiner Nullage, anderseits dreht er übeir i i bei nunmehr
festgehaltenem Steuerrad die Kulisse wieder in die Nullage zurück. Damit kommt der
Motor 4 zum Stillstand, und nachdem der Servomotor 2 seinen Sollweg zurückgelegt
hat, hat er über 5 auch den Steuerkolben 3 wieder in die Nullage gebracht. Es kann
demnach von der Kommandobrücke aus mit kleinen Verstellkräften das große Verstellkräfte
erfordernde Ruder in jede gewünschte Lage gebracht werden, wobei sich die vom Ruder
und vom Steuerrad zurückgelegten Wege verhältnisgleich bleiben. Diel -Vorteile der
sympathischen. Steuerung bleiben demnach gewahrt, ohn daß Schalter mit ofenen.Kontakten
benötigt werden. Steuerrad 17 und Ferndreher 16 können auf der Kommandobrücke untergebracht
werden, alles übrige beim Servomotor in der Nähe des Ruders, so daß zwischen Ruder
und Steuerrad nur ein 5a;driges Kabel verlegt werden muß. Unter Umständen genügt
auch ein 3adriges, wenn die Ständer der Ferndreher unmittelbar an das Netz gelegt
werden können. Die kontaktlosen Schalter 6 und 7 sind im gezeigten Beispiel nach
Art einer mehrschenkligen Drosselspüle ausgeführt. Es können dafür auch einphasige
Induktionsmotoren verwendet werden, deren Ständerwicklungen in je eine der zum Motor
4 führenden Phasen eingeschaltet sind. Die Läuferwicklungen sind einachsig kurzgeschlossen.
Stehen Ständerachse und Läuferachse senkrecht aufeinander, so besitzt die Ständerwicklung
einen großen Blindwiderstand
(Fig. z), fallen beide zusammen, so
ist dis Ständerwicklung induktiv kurzgeschlossen (Fig. 3). Man braucht dann im Beispiel
der Fig. i vier solcher Einphasenmotoren, vor denen je zwei miteinander gekuppelt
sind, zwei an Stelle der Drossel 6 und zwei an Stelle von 7.
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Durch Drehung um 9o°' e1. erreicht man bei diesen Drosselschaltern
den Übergang vom kleinsten auf den größten Widerstandswert und umgekehrt. Im übrigen
bleibt die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. i unverändert. Statt eine kurzgeschlossene
Zweitspule gegenüber der Erstspule zu verdrehen bzw. zu verschieben, kann man die
elektromagnetische Kupplung und Entkupplung auch dadurch bewirken, daß man die beiden
Spulen in der gleichen Lage zueinander läßt und einen magnetischen Nebenschluß zwischen
beiden ausschaltet bzw. einschaltet. Fig. 4 zeigt eine derartige Anordnung. 18 bedeutet
eine dreischenklige Drosselspule. Auf je einem Schenkel sind Erst- und Zweitspule
je einer Phase angeordnet, der dritte Schenkel dient für den Rückscbluß der magnetischen
Flüsse, er kann aber ebenfalls noch Spulen für die dritte Phase tragen. Zwischen
den Erst-und Zweitspulen sind bewegliche Jochstücke i9 vorgesehen. Sind sie eingelegt
wie in Fig. q., so schließt sich der von den Erstspulen ausgehende Fluß über diese
Jochstücke und kann sich voll ausbilden. Die Joch- und Schenkelstücke mit den kurzgeschlossenen
Spulen sind völlig flußfrei. Sind dagegen die Jochstücke i9 entfernt, so kann sich
der Fluß nur über die kurzgeschlossenen Spulen ausbilden und wird dadurch nahezu
auf Null herabgedrückt. Die Jochstücke icg können in geeigneter Weise durch Hub-
oder Drehbewegung betätigt werden. ° Das Anwendungsgebiet der kontaktlosen Schalter
braucht nicht auf den Fall der kontaktlos gesteuerten Rudermaschine beschränkt zu
sein, sondern kommt überall da in Betracht, wo man aus besonderen Gründen keinen
mit offenen Kontakten arbeitenden Schalter verwenden will, z. B. in explosionsgefährdeten
Räumen.