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Fliehkraftkontaktregler Fliehkraftkontaktregler sind in den verschiedensten
mechanischen Ausführungen und in einer großen Zahl elektrischer Schaltungen bekanntgeworden.
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Alle bisher bekannten Fliehkraftkontaktregler haben aber den Nachteil,
.daß sie statisch arbeiten, also bei schwankender Spannung und/oder Last in Abhängigkeit
von diesen Größen vom -Sollwert der Drehzahl abweichen. Weiter zeigen die bisher
bekannten Flieh'kraftkontaktregler eine zum Teil nicht unerhebliche Temperaturabhängigkeit.
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Zweck der Erfindung ist, ein-en Fliehkraftkontaktregler zu schaffen,
der astatisch arbeitet und temperaturunabhängig ist. Um die Wirkungsweise der neuen
Anordnung zu erklären, sei zunächst die grun:dsätzlicbe Wirkungsweise aller Fliehkraftkontaktregler
gezeigt.
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Ein Kontaktregler kann seiner Natur gemäß den zu regelnden Strom nicht
auf den für die Regelung erforderlichen kontinuierlichen Wert einstellen, sondern
nur einen zwischen zwei Grenzwerten schwankenden, pulsierenden Gleichstrom in seinem
Effektivwert auf die gleiche Größe einregeln.
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In Abb. I ist ein Anwendungsbeispiel für einen Kontaktregler gezeigt,
bei dem der Feldstrom einer elektrischen Maschine gesteuert wird. R" = Vorwiderstand,
Rt = Tastwiderstand, Rf = Widerstand des Feldes; K = Kontakt.
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In Abb. II sind .die zugehörigen Ströme dargestellt.
ließt, wenn der Kontakt geschlossen ist,
wenn der Kontakt offen ist. Die Größe des Effektivstromes ist also gegeben durch
das Verhältnis von Öffn-ungs- zu Schließungszeit des Kontaktes. Die
Grenzen
des Regelbereiches eines Kontaktreglers sind also »dauernd geöffneter Kontalzt«
und »dauernd geschlossener Kontakt«. Zum Übergang von der einen auf die andere Grenze
ist eine Verstellkraft nötig, die eine Änderung der zu regelnden Größe bedingt.
Bei einem Fliehkraftkontaktregler mit horizontaler Welle (nach Abb. III) ist die
Statik theoretisch sehr einfach zu ermitteln. Sie setzt sich aus drei Werten zusammen,
wie nachstehend gezeigt wird. In Abb. III bedeutet: K = Kontakt, G = Fliehgewicht
in Kilogramm, F = an dem Fliehgewicht angreifende Fliehkraft in Kilogramm, r=Rädius
des Fliehgewichtsschwerpunktes in Zentimetern, n = Umdrehungszahl pro Minute.
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Befindet sich der Kontakt K unten, so wirken auf ihn die Kräfte F
und G gleichsinnig. Ist er oben, so wirkt G gegen F. Die resultierende Kraft ist
also um ä G kleiner als unten. Arbeitet der Regler gerade in der Mitte seines- Regelbereiches,
also Öffnungszeit gleich Schließungszeit, so liegt der Übergang vom Öffnen zum Schließen
bzw. Schließen zum Öffnen auf der horizontalen Achse H-H, da hier nur die Fliehkraft
Fmittel wirkt. Unterhalb H-H ist der Kontakt geschlossen, da die resultierende Kraft
an K größer ist als Fmtttet und oberhalb H-H geöffnet, da dort die resultierende
Kraft kleiner ist als Fmittet. Soll nun der obere Grenzwert des Regelbereiches,
also dauernder Kontaktschluß, erreicht werden, so muß F um den Betrag G größer sein
als in .der Mitte des Regelbereiches; um auch im Punkt f1 noch geschlossen zu sein.
Beim unteren Grenzwert dagegen muß F um den Betrag G kleiner sein, um auch im Punkt
F noch geöffnet zu sein, d. h. also, daß die Fliehkraft sich um den Betrag
a G ändern muß um den gesamten Regelbereich zu bestreichen. Hierzu kommen noch folgende
zwei Beträge: Von .dem ersten Berühren der Kontakte bis zur widerstandslosen Kontaktgabe
ist ein Kontaktdruck Pk nötig, der vom Material abhängt. Bei Wolfram ist Pk .etwa
6- g. Für .die vollkommene Stromunterbrechung ist ein Kontaktweg vonio-4,cm
erforderlich. Die für diesen Weg nötige Kraft ist P d.
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Für dauernden Kontaktschluß muß F also Fm"; Fmittel + (G +
Pk) sein.
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Für dauernde Kontaktöffnung:- Fmin = Fmtttel -(G+Pe).
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Die Differenz zwischen Fmax und Fmtn, Fm"" -Fmirs = 2 G + Pk
+ Pn bedingt einen Unterschied in der Drehzahl,.der in Prozenten. ausgedrückt
Regler mit horizontaler Welle arbeiten im allgemeinen sehr gleichmäßig und ohne
ausgeprägte Regelstöße; da das für das gleichmäßige Regeln erforderliche Öffnen
und, Schließen der Kontakte durch die Schwerkraft zwangsläufig in sehr schnellem
Rhythmus erfolgt.
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Bei Reglern mit vertikaler Welle fällt das durch die Schwerkraft hervorgerufene
zwangsläufige Öffnen und Schließern fort. Um jetzt die für die Regelung .erforderliche
Folge von Kontaktschlüssen und Öffnungen zu erhalten, muß die Drehzahl um den eingestellten
Mittelwert pendeln. Von den die Statik beim Regler mit horizontaler Welle bedingenden
drei Größen fällt der Wert 2 G fort, da die Schwerkraft den Kontakt nicht beeinflußt.
Dafür kommt jetzt der Eindiuß -der umlaufenden Massen; die rhythmisch beschleunigt
und verzögert werden müssen und infolge ihrer Trägheit die Drehzahl über die für
das Öffnen und Schließen erforderlichen Grenzen hinaus pendeln läßt.
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Die neue Anordnung ist in Abh. IV dargestellt. Es bedeutet: M = Magnetkörpers
K = Kontakt, Fk = Kontaktfeder, Sp = Spannungswicklung; Str=Stromwicklung,
S=Schleifringe, B=Bürsteu, R, = Serienwiderstand RR = Parallelwiderstand.
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Die Wicklung Sp liegt an der gleichen Spannung wie der zu regelnde
Elektromotor. Steigt oder fällt nun die Spannung, so steigt oder fällt auch die
Zugkraft des Magneten. Durch geeignete Wähl des Luftspaltes und der Wicklung Sp
kann die durch die Änderung der Spannung hervorgerufene Änderung der Zugkraft des
Magneten so gewählt werden, daß sie der Verstellkraft entspricht, die für den Übergang
von der Stellung »dauernd geöffneter Kontakt« in die Stellung »dauernd geschlossener
Kontakt« erforderlich ist. Da jetzt die für die Ausregelung der Spannungsschwankungen
erforderliche Verstellkraft durch .die Änderung der Zugkraft des Elektromagneten
aufgebracht wird, kann. die Fliehkraft konstant bleiben. Das heißt für den Regelvorgang
ist keine Änderung der Drehzähl mehr erforderlich. Durch Überkompensation kann das
Drehzahlverhalten -der geregelten Maschine sogar so eingestellt werden, daß dieDrehzahl
bei sinkender Spannung steigt und bei steigender sinkt. Die mit dem an einen Widerstandsumformer
angebauten Versuchsmodell bisher erreichte, mit einem iooo-Hz-Diskriminator gemessene
Genauigkeit betrug -± o,oo5 0% maximale Abweichung von der Drehzahl, bei ± ioo/o
Spannungsschwanklingen.
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Sollen _ außer Spannungsschwankungen auch Lastschwankungen ohne Statik
durch den Fliehkraftkontaktregler ausgeregelt werden, so muß der Elektromagnet außer
der Spannungswicklung auch eine Stromwicklung erhalten, .die vom Hauptstrom des
geregelten Elektromotors oder einem Teil desselben durchflossen, wird, und zwar
im entgegengesetzten Sinn wie die Spannungswicklung, da eine Lasterhöhung in bezug
auf die drehzahlmaßgebenden Anker EMK wie eine Netzspannungssenkung wirkt.
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Da der Hauptstrom im allgemeinen zu stark ist, um direkt durch .den
Regler geleitet zu werden, wird, wie bei Meßinstrumenten, ein Nebenwiderstand R
vorgesehen, der vorzugsweise aus einem Material mit kleinem Temperaturkoeffizienten
besteht, z. B. Manganin.
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Bei Erwärmung der Wicklungen Sp und Str,
des Reglerkörpers und
der Kontaktfeder Fk ändert sich die eingestellte Drehzahl. Durch Serienwiderstände
RS und Parallelwiderstände R¢ aus Materialien mit den geeigneten Temperaturkoeffi-
i ziepten kann die durch die Erwärmung eintretende
Änderung der
Grunddrehzahl voll ausgeglichen werden.
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Um die für das Öffnen und Schließen des, Fliehkraftkontaktes erforderlichen
Pendelurigen der Drehzahl bei Reglern mit vertikaler Welle zu vermeiden, wird anstatt
der beiden der Stromzuführung dienenden Schleifringe ein Stromwender angeordnet
und derart geschaltet, daß der zur Speisung der Spannungswicklung Sp zugeführte
Gleichstrom in schneller Folge unterbrochen oder umgepolt wird. Der Magnet versetzt
so die Kontaktfeder in schnelle Schwingungen, so daß der Kontakt in schnellem Rhythmus
öffnet und schließt, ohne daß die Drehzahl sich ändern muß. Die Anordnung ist aus
Abb. V zu ersehen.
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Infolge der durch den Stromfluß entstehenden Materialwanderung an
den Kontakten und der dadurch bedingten Änderung im Kontaktabstand verschiebt sich
bei längerem Betrieb der ursprünglich eingestellte Wert der Drehzahl. Zur Vermeidung
der Materialwanderung wird statt der beiden der Stromzuführung zu den Kontakten
dienenden Schleifringe ein zwei- oder mehrlamelliger Stromwender angeordnet und
derart geschaltet, daß der Kontaktstrom einmal oder häufiger während jeder Umdrehung
umgepolt wird. Abb. VI zeigt die Anordnung.
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Der besondere Vorteil des Reglers liegt darin, daß die Regelung infolge
der kleinen Zeitkonstante für den Aufbau des Magnetfeldes im Hilfsmagneten
31 bereits einsetzt, bevor infolge einer Spannungs- oder Laständerung eine
Drehzahländerung eintritt, da die mechanische Zeitkonstante der umlaufenden Massen
erheblich größer ist. Das heißt die Regelung erfolgt also bereits, bevor eine Drehzahländerung
auftritt. Das Verhältnis zwischen der elektromagnetischen Zeitkonstante des Hilfsmagneten
11' und der mechanischen Zeitkonstante der umlaufenden Massen kann noch durch Aufbringung
einer zusätzlichen Schwungmasse vergrößert werden:, wodurch der eben erwähnte Effekt
verstärkt wird.