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Elektrischer Zeitkreis Zusatz zum Patent 890375 Gegenstand des Patents
890 375 ist ein elektrischer Zeitkreis mit einer an einem elektrischen Impulserzeuger
angeschlossenen Sättigungsdrossel, zu deren Ummagnetisierung vom Sättigungszustand
bis in den entgegengesetzten Sättigungszustand mehr als ein Impuls erforderlich
ist. Die Sättigungsdrossel wird während eines Verzögerungsvorgan@es durch mehrere
Impulse gleicher Richtung immer in ein und derselben Richtung durch das ungesättigte
Gebiet hindurch fortschreitend magnetisiert. Die Sättigungsdrossel wirkt als Impulsspeicher
und läßt zunächst nur Ströme in Höhe ihres Magnetisierungstroines durch. Ein höherer
Strom, der zur Auslösung eines Auslösers, Relais od. dgl. ausreicht, kann erst dann
zustande kommen, nachdem die Drossel das ungesättigte Gebiet durchschritten und
ihren Sättigungszustand in der angestrebten Richtung erreicht hat. Durch diese Impulsspeicherung
kann also die Auslösung um die Dauer eines oder mehrerer Impulszwischenräume bzw.
einer oder mehrerer Halb- oder Vollwellen eines den Impulsgeber erregenden Wechselstromes
verzögert werden: Mit der impulsspeichernden Sättigungsdrossel werden gewissermaßen
die während eines Gangspieles des Zeitkreises verstreichenden zeitlichen Impulszwischenräume
abgezählt: Daher wird diese impulsspeichernde Sättigungsdrossel im folgenden auch
als Zähldrossel bezeichnet. Die
Verzögerungsdauer bzw. -die ihr
entsprechende Zahl von Halb- oder Vollwellen ist von dem Größenverhältnis des in
einem Impuls enthaltenen Spannungszetintegrals zu demjenigen Spannungsintegral abhängig,
das erforderlich ist, um die Zähldrossel von einem gegebenen Ausgangszustand, beispielsweise
dem einen Sättigungszustand, bis in den angestrebten bzw. entgegengesetzten Sättigungszustand
zu versetzen. Wird als Impulsgeber ebenfalls eine Sättigungsdrossel verwendet, so
ist die Verzögerungszeit durch das Größenverhältnis der beiden Sättigungsdrosseln
gegeben. Unter Drosselgröße in diesem Sinne wird wiederum das zur vollständigen
Umsättigung erforderliche Spannungszeitintegral verstanden. Letzteres ist durch
das Produkt der Windungszahl yt der Drosselwicklung und des -Querschnittes q des
Drosselkernes mit Berücksichtigung der dem Kernwerkstoff eigentümlichen Sättigungsinduktion
B, nach der Gleichung f e d t =:2 n # q B, - io--g bestimmt.
Je größer also die Verzögerungsdauer sein soll, um so größer muß der Größenunterschied
der beiden Sättigungsdrosseln sein. Für den Impulsgeber ist durch die Auslösebedingungen
eine Mindestgröße vorgeschrieben. Infolgedessen können größere Verzögerungszeiten
mit der im Hauptpatent vorgeschlagenen Einrichtung nur durch eine entsprechende
Vergrößerung der Zähldrossel erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird der Zeitkreis nach dem Hauptpatent durch Mittel
verbessert, die bewirken, daß die Zähldrossel durch Spannungsimpulse wechselnder
Richtung und verschiedener Größe, bezogen auf die Windungszahl der Zähldrosselwicklung
an der die Impulsspannungen auftreten, im Pilgerschritt, d: h. abwechselnd um einen
Betrag vorwärts und um einen kleineren Betrag rückwärts schreitend, durch mindestens
einen Teil ihres ungesättigten Bereiches hindurch bis zur Sättigung ummagnetisiert
wird. Auf diese Weise wird eine Verlängerung der Verzögerungszeit ohne Verwendung
einer größeren Zähldrossel ermöglicht. Es gelingt damit beispielsweise, Verzögerungszeiten
von der Dauer mehrerer tausend Halbwellen mit Hilfe einer Zähldrossel zu erreichen,
die sich von dem Impulsgeber nur um eine Größenordnung unterscheidet. Da ferner
durch einfache Umschaltung einzelner Teile des Zeitkreises wahlweise zu einer immer
in ein und derselben Richtung fortschreitenden Magnetisierung der Zähldrossel übergegangen
werden kann, so läßt sich mit der Erfindung nicht nur eine Verschiebung, sondern
auch eine Erweiterung des Regelbereiches der Verzögerungsdauer, d. h. eine Vergrößerung
des Verhältnisses der längsten zur kürzesten Verzögerungszeit herbeiführen.
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Ein zur Ummagnetisierung im Pilgerschritt geeignetes Mittel ist beispielsweise
die Verwendung eines Wechselimpülsgebers, der in ,der einen Richtung stärkere Impulse
als in der anderen Richtung erzeugt. Der Übergang von der Magnetisierung im Pilgerschritt
auf eine nur in einer Richtung fortschreitende Magnetisierung kann in diesem Falle
durch Vörschaltung eines elektrischen Ventils vollzogen werden. Ein anderes Mittel
zur Ummagnetisierung im Pilgerschritt besteht nach der weiteren Erfindung darin,
daß die Strombahnen der von den Impulsspannungen getriebenen Ströme verschiedener
Richtung mindestens teilweise verschieden und durch ventilartig wirkende Einrichtungen
elektrisch voneinander getrennt sind.
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In der Zeichnung sind in den Fig. i bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung schematisch dargestellt, wobei der Impulsgeber, der von beliebiger
Art sein kann, der Einfachheit halber weggelassen ist. Es sei aber angenommen, daß
er Wechselimpulse von gleicher Stärke in beiden Richtungen liefert. Die Fig. 9 bis
13 dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung.
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Die Fig. i und 2 veranschaulichen je einen Zeitkreis, der in beiden
Stromrichtungen einen endlichen Scheinwiderstandswert hat, jedoch in der einen Richtung
einen größeren als in der anderen. Nach Fig. i liegt mit einer Zähldrossel Z eine
Parallelschaltung zweier Stromzweige in Reihe, von denen der eine ein elektrisches
Ventil T11 und der andere einen Scheinwiderstand enthält, der vorteilhaft durch
einen Wirk-,viderstand W1 verkörpert sein kann. Eine Auslösespule A ist in dem das
Ventil V1 enthaltenden Stromzweig angeordnet. .Sie kann praktisch als widerstandsfrei
angesehen werden. Dasselbe wird in erster Annäherung auch von dem Ventil T11 in
Durchlaßrichtung angenommen. Dieser Stromzweig schließt also in der Durchlaßrichtung
des Ventils h1, die als Vorwärtsrichtung bezeichnet sei, den Widerstand W1 kurz.
Die in Vorwärtsrichtung fließenden Stromimpulse fließen infolgedessen nur über den
Ventilstromzweig; so daß die Spannungsimpulse an der Zähldrossel Z, abgesehen von
dem Spannungsabfall in dem nicht dargestellten Teil des Zeitkreises, in voller Höhe
wirksam werden. In Rüekwärtsriehtung dagegen wird durch den Widerstand Wl, den diese
anderen Stromimpulse durchfließen müssen, ein zusätzlicher Spannungsabfall hervorgerufen,
und an der Zähldrossel Z tritt somit eine kleinere wirksame Spannung auf, die sie
rückwärts magnetisiert, und infolgedessen ist bei gleicher Impulsdauer auch das
rückwärts magnetisierende Spannungszeitintegral kleiner als das vorwärts magnetisierende
Spannung szeitinteg ral.
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Nach Fig. 2 liegt zur Zähldrossel Z eine Reihenschaltung eines Scheinwiderstandes,
beispielsweise eines Wirkwiderstandes W2, und eines elektrischen Ventils P2 parallel.
Der Scheinwiderstand des nicht gezeichneten Zeitkreisteiles wird hier durch W' veranschaulicht.
Die vorwärts gerichteten Stromimpulse nehmen ihren Weg ausschließlich über die Zähldrossel
Z, die rückwärts gerichteten Stromimpulse sowohl über die Zähldrossel Z als auch
über den Parallelzweig mit dem Widerstand W2 und dem Ventil T12. Da der Scheinwiderstandswert
der Parallelschaltung kleiner ist als der Scheinwiderstand der Zähldrossel allein,
so ist das Widerstandsverhältnis zu W' auf dem Rückweg kleiner als in Vorwärtsrichtung.
Infolgedessen liegt von den rückwärts gerichteten Spannungsimpulsen an
der
Zähldrossel ein kleinerer Teil als von den vorwärts gerichteten. Der Magnetisierungszustand
der Zähldrossel wird also rückwärts um einen kleineren Schritt geändert als vorwärts.
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Statt galvanisch kann die Reihenschaltung eines Scheinwiderstandes
W2 und eines elektrischen Ventils h2 auch induktiv gemäß Fig. 3 mittels einer zweiten
Wicklung Z' der Zähldrossel mit dem Hauptstrompfad des Zeitkreises gekoppelt sein.
Die Schrittweite der Pilgerschritte kann in den Zeitkreisen gemäß Fig. i bis 3 durch
Veränderung der Widerstände W1 bzw. W2 geregelt werden.
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Ein weiteres Mittel zur Erzielung von Pilgerschritten besteht erfindungsgemäß
darin, daß an der Zähldrossel die Anzahl der Windungen, an denen Impulsspannungen
in der einen Richtung auftreten, von der Anzahl der Windungen, an denen Impulsspannungen
der anderen Richtung auftreten, verschieden gemacht wird. Nach den Fig. q. und 5
kann beispielsweise ein Teil der Windungen der Zähldrosselwicklung durch ein elektrisches
Ventil hl überbrückt sein. Je kleiner die Windungszahl ist, um so -größer ist der
auf eine Windung entfallende Anteil der Impulsspannung und um so größer infolgedessen
der Magnetisierungsschritt. In Fig. q. ist in dem Ventilstromzweig ein Anzapfschalter
Si vorgesehen, durch den die Windungszahl in Vorwärtsrichtung vermindert werden
kann. In .der Anordnung nach Fig. 5 ist ein Anzapfschalter S2 vorgesehen, durch
den die Windüngszahl in Rückwärtsrichtung vergrößert werden kann.
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Nach den Fig. 6 bis 9 kann die Zähldrossel auch mit zwei parallel
geschalteten Wicklungen Z" und Zb versehen sein, denen elektrische Ventile h1 und
h2 mit entgegengesetzten Durchlaßrichtungen vorgeschaltet sind. In den aus Fig 6
und 7 ersichtlichen Zeitkreisen haben die Wicklungen Z" und Zb gleiche Windungszahlen.
Nach Fig. 6 ist in dem rückwärts freigegebenen Stromzweig in Reihe mit der Wicklung
Zb und dem Ventil V2 ein zusätzlicher Widerstand W1 angeordnet, der einen zusätzlichen
Spannungsabfall verursacht, um den die an der Wicklung Zb auftretende rückwärts
gerichtete Impulsspannung gegenüber der an der Wicklung Z" auftretenden vorwärts
gerichteten Impulsspannung kleiner ist. Die Schaltung ähnelt also derjenigen nach
Fig. i.
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Nach Fig. 7 ist in dem rückwärts freigegebenen Zweig zur Wicklung
Zb ein Scheinwiderstand W2 parallel geschaltet. Das Verhältnis des Scheinwiderstandes
dieser Parallelschaltung zum gesamten Scheinwiderstand des Zeitkreises ist kleiner
als das Verhältnis des in Vorwärtsrichtung freigegebenen Stromzweiges mit der Wicklung
Z" zum gesamten Scheinwiderstand des Zeitkreises. An der Wicklung Zb tritt daher
eine geringere Impulsspannung in Rückwärtsrichtung auf als an der Wicklung Z" in
Vorwärtsrichtung. Die Schaltung ähnelt also derjenigen nach Fig. a. Es kann auch
zur Wicklung Z4 ein Scheinwiderstand parallel geschaltet sein, dessen Höhe von W2
verschieden ist. Die Schaltung nach Fig. 7 bildet hiervon einen Sonderfall, bei
ihr hat der zu Z" parallel geschaltete Scheinwiderstand die Höhe Null. Die
Regelung der Schrittweite kann bei den Anordnungen nach den Fig. 6 und 7 durch Verstellung
der regelbaren Widerstände W1 bzw. W2 herbeigeführt werden.
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In den Anordnungen nach den Fig. 8 und 9 erfolgt ähnlich wie nach
Fig. q. und 5 die Regelung mittels Anzapfungen durch Anzapfschalter S1 bzw. S2.
Die Anordnung nach Fig. 8 ist bis auf die Ventildurchlaßrichtungen symmetrisch aufgebaut,
so daß wahlweise der eine oder der andere Stromzweig als Vorwärts- bzw. Rückwärtszweig
benutzt werden kann, je nachdem, welcher auf die kleinere bzw. größere Windungszahl
eingestellt ist. Nach Fig. 9 ist der Stromzweig mit der Wicklung Z" für die Vorwärtsrichtung
festgelegt und enthält eine Auslösespule A. Die Windungszahl der in Rückwärtsrichtung
durchflossenen Wicklung Zb ist größer als diejenige der Wicklung Z" und. durch Anzapfungen
sowie einen Anzapfschalter S2 regelbar.
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Die Lage der Auslösespule weist hier ebenso wie in den Anordnungen
nach Fig. i, 6 und 7 den Vorteil auf, daß der Auslösestrom von der Regelung unbeeinflußt
bleibt, da die Auslösespule nur vom Vorwärtsstrom durchflossen wird und eine Regelung
nur in der Rückwärtsstrombahn stattfindet. Ebenso kann natürlich auch bei den Anordnungen
nach den Fig.3 bis 5 die Auslösespule in derjenigen Strombahn angeordnet werden,
in der sich keine Regeleinrichtungen befinden. In solchen Anordnungen, wo das nicht
ohne weiteres möglich ist, kann diese Möglichkeit z. B. gemäß Fig. io durch ein
die Auslösespule A in Rückwärtsrichtung überbrückendes Ventil V3 und nötigenfalls
noch durch ein vorgeschaltetes Vorwärtsventil h4 geschaffen werden. Die Fig. i bis
9 stellen Grundschaltbilder dar, aus denen auch geeignete Kombinationen abgeleitet
werden können.
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Die in den Fig. i bis 9 gezeigten und im Zusammenhang damit beschriebenen
sowie daraus abgeleitete und ähnliche Ausgestaltungen der Schaltung können statt
an der Zähldrossel auch am Impulsgeber vorgenommen werden; insbesondere wenn dazu
ein Sättigungswandler verwendet wird. Eine derartige Impulsgeberanordnung sendet
dann in der einen Richtung stärkere Impulse aus als in der anderen Richtung.
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In Fig. i i ist ein schätzungsweise angenommener Magnetisierungsverlauf
während eines Pilgerschrittes, den eine Zähldrossel unter der Einwirkung eines Vorwärts-
und eines kleineren Rückwärtsimpulses ausführt, unter Zugrundelegung ihrer gestrichelt
gezeichneten Magnetisierungsschleife angenähert dargestellt. Das ,Schaubild zeigt
die Induktion B im Drosselkern in Abhängigkeit vom Strom i in der Drosselwicklung,
beispielsweise ausgehend vom Zustandspunkt -R der negativen Remanenz, wo die Zähldrossel
in negativer Richtung praktisch gesättigt ist. Ein erster positiver Spannungsimpuls
magnetisiert die Drossel in positivem Sinne bis zu Punkt i. Nach Verschwinden der
Spannung geht der Magnetisierungszustand auf den Punkt i' zurück. Ein folgender
negativer
Impuls von geringerer Spannungshöhe, bezogen auf eine
Windung der Spannungswicklung, magnetisiert die Drossel in negativem Sinne bis zum
Zustandspunkt 2, von wo aus die Drossel nach Verschwinden des negativen Spannungsstoßes
in den Zustand 2' gelangt. Fig. 12 zeigt auch den weiteren Verlauf der M.agnetisierung
unter der Einwirkung der folgenden Spannungsimpulse während eines Gangspieles. Beim
dritten Spannungsimpuls, der wieder positiv ist, gelangt die Drossel in den Zustand,
der durch den Punkt 3 gekennzeichnet ist, und durch die weiteren Impulse nacheinander
zu den Punkten 4, 5 über den Punkt + R, der der positiven Remanenz entspricht, nach
6 und schließlich in den Zustand nach Punkt 7, von wo aus sie -wieder in den Zustand
der positiven Remanenz nach Punkt -I- R zurückkehrt. In Punkt 5 ist das Sättigungsknie
erstmalig überschritten.
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In Fig. 13 sind die Zustandspunkte in Abhängigkeit von der Zeit t
unter der Voraussetzung aufgetragen, daß die Impulse periodisch in gleichen Zeitabständen
aufeinanderfolgen, wie es z. B. bei Verwendung eines mit Wechselstrom erregtenSättigungswandlers
als Impulsgeber der Fall ist. Die in erster Annäherung geradlinig gezogenen Verbindungslinien
veranschaulichen den Pilgervorgang der Zähldrossel von einem Sättigungszustand in
den anderen. Die Sättigungsendwerte -B, und -I- B, sind als strichpunktierte Linien
eingezeichnet.
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In Fi.g. 14 ist die Magnetisierungskennlinie in der Form
i = f (B) mit den Zustandspunkten r bis 7 in kleinerem Maßstab noch einmal
,dargestellt. Daneben ist die Kurve des Stromverlaufs i in Abhängigkeit von der
Zeit t angegeben. Wird der Auslösestrom der zu steuernden Einrichtung beispielsweise
auf den strichpunktiert eingezeichneten Wert i" eingestellt, so erfolgt die Auslösung
beim siebenten Impuls, d. h. nach Ablauf von sieben Halbwellen. Bleibt der Zeitkreis
geschlossen, so hat der Strom beim siebenten .und bei ,den -darauffolgenden ungeraden
Impulsen stets den gleichen Endwert, der durch die Höhe der Impulsspannung und den
Scheinwiderstand des Zeitkreises einschließlich des Streublindwiderstandes der Zähldrossel
gegeben ist. Durch feinstufige oder stetige Widerstandsregelung kann die Schrittweite
stets so eingestellt werden, daß bei verschiedener Einstellung der Spieldauer bzw.
Verzögerungszeit der zur Auslösung führende Impuls die Zähldrossel in dem gleichen
Zustand nahe der Sättigung vorfindet. Damit ist der weitere Vorteil verbunden, daß
zwischen dem Impulsbeginn und dem Zeitpunkt, in welchem der Auslösewert des Stromes
erreicht wird, stets die gleiche, möglichst kurze Zeitspanne liegt. Ist beispielsweise
die Aufgabe gestellt, einen Stromkreis auf einen Ausschaltbefehl mit vorgeschriebener
Verzögerung in der Nähe eines Stromnulldurchganges zu öffnen, so kann bei Verwendung
eines durch die Stromnulldurchgänge gesteuerten Impulsgebers, z. B. eines von dem
zu unterbrechenden Wechselstrom erregten Sättigungswandlers, der für .die Unterbrechung
vorgesehene Stromnulldurchgang bei verschiedenen Verzögerungszeiten mittels geeigneter
Einstellung des Regelwiderstandes mit besonders hoher Genauigkeit angesteuert werden.
Im Gegensatz dazu ist beispielsweise bei Regelung mittels Wicklungsanzapfungen die
Abstufung zwangsläufig festgelegt. Es kann hierbei vorkommen, daß der zur Auslösung
führende Impuls nicht sofort einen steilen Anstieg des Auslösestromes herbeiführen
kann, weil er zunächst die noch tief im ungesättigten Zustand befindliche Zähldrossel
bis zum Sättigungsknick zu magnetisieren hat. Die Weite des hierzu .erforderlichen
Magnetisierungsschrittes kann bei verschiedenen Einstellungen der Verzögerungszeit
stark schwanken, so daß .die Ansteuerung des für die Stromunterbrechung vorgesehenen
Stromnulldurcnganges bei einer derartigen zwangsläufig abgestuften Regelung weniger
genau ist als bei Widerstandsregelung in beliebig wählbaren Stufen.
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Vor jedem folgenden Gangspiel ist der Zeitkreis zunächst wieder in
seinen Ausgangszustand zurückzuführen. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen.
Die Zähldrossel kann durch eine Hilfsmagnetisierung über die negative Sättigung
in den Ursprungszustand zurückversetzt werden. Statt dessen können durch einen Polwender
die Anschlüsse der Zähldrossel oder die Anschlüsse des Ventils bzw. der Ventile
vertauscht werden. Bei der Anordnung nach Fig.7 ist eine Rückkehr in den Ausgangszustand
auch durch Umkehrung des Windungszahlverhältnisses der Wicklungen Z" und Zb möglich.
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Es muß ferner dafür gesorgt werden, daß der Zeitkreis in einem Zeitpunkt
geschlossen wird, auf den zuerst ein in entsättigendem Sinne wirkender Impuls folgt.
Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß zum Schließen des Zeitkreises oder
eines Hilfskreises, der den Impulsgeber steuert, ein polarisiertes Relais verwendet
wird. Es kann statt dessen auch dem Zufall überlassen bleiben, ob zuerst ein Impuls
in der einen oder in der anderen Richtung gegeben wird, wenn dafür gesorgt ist,
daß ein etwa zuerst zustande kommender negativer Impuls, .der die Zähldrossel in
derjenigen Richtung magnetisiert, in :der sie bereits gesättigt ist, keine Wirkung
auf .die Auslösespule ausübt. Das ist beispielsweise in den Anordnungen nach Fig.
i, 6, 7
und g ahne weiteres der Fall, ebenso bei entsprechender Anordnung
der Auslösespule in einem allein vom Vorwärtsstrom durchflossenen Stromkreisteil
bei den übrigendargestelltenundbeliebigen anderen Schaltungen. Endlich kann die
Auslösung durch einen negativen Impuls auch durch Verwendungeinespolarisierten Auslösers
verhindert werden.
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Aus Fig. 15 ist zu entnehmen, daß auch ein anderer als ein Remanenzpunkt
den Ausgangspunkt für den Verzögerungsvorgang bilden kann, wenn nämlich die Zähldrossel
durch einen Vormagnetisierungsstrom i,, vor dem Beginn eines Gangspieles in einen
Zustand innerhalb ihres ungesättigten Bereiches versetzt -wird, .der beispielsweise
dem Punkt o in Fig. 15 entsprechen möge. Der erste Impuls versetzt dann die Zähldrossel
in den Zustand nach Punkt r. Ist der Vormagnetisierungsstrom
ein
konstanter Gleichstrom, so gelangt die Zähldrossel nach Verschwinden des Impulses
in den Zustand nach Punkt i ; der auf der gestrichelt eingezeichneten Senkrechten,
die dem Vormagnetisierungsstrom entspricht, liegt. Beim folgenden Impuls wird die
Zähldrossel bis zum Punkt 2 magnetisiert und gelangt von da zum Punkt 2' usw. Statt
eines konstanten Gleichstromes kann beispielsweise auch ein pulsierender Gleichstrom,
der aus einem Wechselstrom durch Gleichrichtung mittels Ventile gewonnen werden
kann, zur Vormagnetisierung der Zähldrossel verwendet werden. Mit Hilfe der erwähnten
Vormagnetisierung kann die Höhe des Impulsstromes vor der Auslösung auf einen verschwindend
kleinen Wert herabgesetzt werden.
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Der Zeitkreis nach der Erfindung ist mit besonderem Vorteil zur Steuerung
von Widerstan.dsschweißmaschinen geeignet. Der Schweißstromkreis kann zur Erregung
des Impulsgebers verwendet werden. Er bleibt jedesmal während der am Zeitkreis eingestellten
Verzögerungszeit geschlossen und wird am Ende derselben selbsttätig beim Nulldurchgang,des
Schweißstromes geöffnet.
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Als Auslösemittel, die durch die Zeitkreise nach der Erfindung gesteuert
werden können, haben sich Haltmagnete, insbesondere Sperrmagnete, bzw. Schaltventile
als besonders vorteilhaft erwiesen.