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Vorrichtung zur kontaktlosen Steuerung einer elektrischen Leistung
Die Erfindung erstrebt die Verbesserung einer Vorrichtung, die eine kontaktlose
Steuerung einer elektrischen Leistung unter Verwendung einer wechselstromgespeisten
Drossel ermöglicht, deren Induktivität durch ein von einem Meß- oder Regelwert betätigtes
Steuerglied geändert wird und deren Stromaufnahme daher ein Maß für den Meß- oder
Regelwert ist. Infolge der Induktivitätsbeeinflussung und der damit verbundenen
Änderung der elektromagnetischen Energie Lit, wobei L
der Selbstinduktionskoeffizient
und i der Effektivwert des Magnetisierungsstromes der Drossel ist, wird je nach
der Vergrößerung oder Verkleinerung des Wertes Lit Arbeit gewonnen oder gespeichert
und daher auf das Steuerglied eine mechanische Rückwirkung ausgeübt. Es ist zwar
auch möglich, eine elektrische Leistung dadurch rückwirkungsfrei zu steuern, daß
die Wirkkomponente des Drosselwiderstandes geändert und dadurch eine Stromänderung
in der Drossel herbeigeführt wird. Jedoch ist der Wirkungsgrad einer derartigen
Ohmschen Beeinflussung, obwohl sie kontaktlos und rückwirkungsarm ist, außerordentlich
gering. Zweckmäßiger ist es deshalb, an Stelle einer Änderung der Wirkkomponente
die Blindkomponente des Drosselwiderstandes, d. h. die Induktivität der Drossel
zu verändern, was dann aber ohne weiteres nicht mehr rückwirkungsfrei möglich ist,
und dabei die Wirkkomponente sowie deren Änderung möglichst klein zu halben. Zur
richtungsempfindlichen Steuerung und zur Verminderung der Rückwirkung hat man bereits
zwei gleichartige Drosseln in Brücken- oder Differentialschaltung benutzt, deren
Induktivitäten in Abhängigkeit von dem Meß- oder
Steuerwert gleichzeitig
gegenläufig durch ein Steuerglied geändert wurden und deren Rückwirkungen auf das
Steuerglied einander entgegengesetzt waren. Man hat jedoch bei diesen Einrichtungen
nicht darauf geachtet, welchen Verlauf die Rückmomente zur Nullage des Steuergliedes
hatten. In der Regel zeigt jedes Einzelmoment einen unregelmäßigen Verlauf über
:den Steuerbereich, so daß sich die Rückmomente beider Systeme nicht ohne weiteres
zu Null -addieren, da bei der Verstellung des Steuergliedes die Kennlinie der einen
Drossel in der einen Richtung und die der anderen Drossel in der entgegengesetzten
Richtung durchlaufen wird.
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Die Vorrichtung bestehe z. B. gemäß Abb. 1 a aus zwei einander gegenüberstehenden
wechselstromgespeisten Luftspaltdrosseln Dl, D2, in deren Luftspalten dl, d2 eine
mit zwei einander parallelen Steuerkonten k1, k2 versehene Kupferscheibe B im Steuerbereich
der Drossel geradlinig nach einander entgegengesetzten Richtungen im Sinne der dargestellten
Richtungspfeile bewegbar ist. Die Kupferscheibe überdecke in der dargestellten Ausgangslage
die Flu&übertrittsquerschnitte beider Luftspalte um den gleichen Betrag, z.
B. je zur Hälfte, und sei von dieser Ausgangslage im Steuerbereich der Drossel um
den Weg ± s nach beiden Richtungen verstellbar. Bei, Bewegung der Kupferscheibe
taucht daher die Kupferscheibe noch weiter in den Luftspalt der einen Drossel ein,
während sie zugleich den Luftspalt .der anderen Drossel in dem gleichen Maße verläßt.
Wird eine Kupferscheibe in den Luftspalt einer wechselstromgespeisten Drossel eingeführt,
so verkleinert sich die Induktivität der Drossel, und es versuchen .die durch Induktion
in der Kupferscheibe entstandenen elektrodynamischen Kräfte die Kupferscheibe wieder
aus dem Luftspalt hinauszudrücken,wobei diese durch die Änderung der magnetischen
:Energie verursachten Rückwirkungskräfte mit zunehmendem Eintauchen der Scheibe
in den Luftspalt bis zu einem Höchst-%vert wachsen, :der bei der größten Änderung
der magnetischen Energie eintritt, und bei weiterem Eintauchen der Kupferscheibe
bis auf Null wieder abnehmen, ,da von da ab die Induktiv ität der Drossel nicht
mehr wesentlich verkleinert wird.
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Es sei angenommen, daß die ,Steuerkante k1 sich noch völlig außerhalb
des Luftspaltes der Drossel Dl befinde, während die Steuerkante k2 schon völlig
in den Luftspalt der Drossel D2 eintaucht. Es werde weiterhin beim Eintauchen der
Steuerkante k1 auf die Steuerscheibe B ein Rückmoment Mdl von der Drossel
Dl ausgeübt, das in Abhängigkeit von der Größe des Verstellweges den in AAbb. z
b oberhalb der [Abszisse dargestellten unregelmäßigen Verlauf hat. Da gleichzeitig
mit zunehmendem Eintauchen der Steuerkante k1 die andere Steuerkante k2 von der
völlig eingetauchten Lage aus dem Luftspalt herausbewegt wird, so durchläuft also
das dabei auftretende Rückmoment der Drossel D2 die gleiche Kurve vom anderen Ende,
die in Abb. r b unterhalb der Abszisse als Kurve Md. dargestellt worden ist, da
die beiden Rückmomente einander entgegenwirken. Die Maximahverte der Rückmomente
treten im allgemeinen nicht bei den einander korrespondierenden Blendenstellungen
auf. Es ergibt sich hierbei ein resultierendes Restmoment Mdr, welches zwar kleiner
als die Teilmomente sein kann, jedoch für alle Blendenstellungen keineswegs Null
ist und,das als unerwünschte Restrückwirkung in Erscheinung tritt. Man hat zwar
die Möglichkeit, durch gegenseitige Versetzung der beiden Drosseln die beiden Momentenkurven
gegeneinander etwas zu verschieben, um die verbleibenden Restmomente noch etwas
zu verkleinern. Verstellt man beispielsweise die beiden Drosseln aufeinander zu
oder macht man die Steuerblende genügend breit, so kann sich ein Momentenverlauf
ergeben, wie er in Abb. r c dargestellt ist. In diesem Fall entwickeln :die beiden
Drosseln in der Nullage des Steuergliedes ihr maximales Moment. Das Restmoment ist
zwar geringer, hat aber immer noch eine beträchtliche Größe. Bedingt ist dieses
Restmoment durch den unsymmetrischen Verlauf der Momentenkurven 1W4 Md2, der seine
Ursache z. B. in den Streukraftlinien der Drosselsysteme und in den Gesetzmäßigkeiten
der eintauchenden Kurzschlußblende hat.
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Das Restmoment läßt sich nun dadurch ganz erheblich herabdrücken,.
daß bei Verwendung zweier gleichartiger Drosseln die von diesen auf das Steuerglied
ausgeübten Rückmomente erfindungsgemäß symmetrisch zur Nullage des ,Steuergliedes
verlaufen und für jede Stellung des Steuergliedes im Steuerbereich gleich groß sind.
Die Momentenkurve jeder der beiden Drosseln braucht in der Nullage des Steuergliedes
durchaus nicht ihr Maximum zu haben, sondern es ist lediglich erforderlich, daß
sie zur Nullage des Steuergliedes möglichst symmetrisch verläuft.
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Durch eine entsprechende Formgebung der die Induktivität der Drosseln
beeinflussenden Organe kann man -die bisher üblichen schiefen und unsymmetrischen
Momentenkurven solcher ,Systeme! so weit verzerren, daß aus den dargestellten Kurven
weitgehend symmetrische Kennlinien werden. Bei Drosseln mit je einem durch einen
Luftspalt unterbrochenen, nahezu geschlossenen Eisenkern, wobei eine die Kraftliniendichte
in den Luftspalten beider Drosseln gegenläufig beeinflussende Steuerblende quer
zu :den Kraftlinien der Luftspalte verschiebbar ist, kann durch die Randform der
Blende oder der die Luftspalte begrenzenden Polschuhe, die Dicke der Blende usw.
die gewünschte Wirkung herbeigeführt werden.
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Die Abb. a a und z b zeigen zwei gleichartige Drosseln und eine in
den Luftspalten beider Drosseln eintauchepde Kupferdrehblende. DieRandform der Blende
oder der Polschuhe muß empirisch so ermittelt werden, daß mit gleichmäßig fortlaufendem
Eintauchen der Kupferblende in den Luftspalt einer Drossel die magnetische Energie
dieser Drossel linear verändert wird. Die Blende hat beispielsweise die in Abb.
ab dargestellte geschwungeneRandform. Diehierbei entwickeltenMomentenkurven in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel sind
in Abb.2c dargestellt. Die beiden NNIomentenkurven
sind svmmetrisch zur Nullage, und das entwickelte Restmoment ist sehr klein. Man
kann selbstverständlich dasselbe auch mit in gerader Richtung verschiebbaren Blenden
erreichen.
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Will man mit Steuerblenden arbeiten, deren geometrische Randform .besonders
leicht und genau sich herstellen läßt, so wird weiterhin vorgeschlagen, nicht eine
urmagnetische Metallblende, sondern eine Blende aus unterteiltem Eisen zu nehmen,
deren in die Luftspalte eintauchenden Flächen der Blendenverschiebung linear proportional
sind, d. h. wenn man mit Drosselsystemen einfacher rechteckiger Polquerschnitte
und gerader Randform,der Blende arbeitet (s. Abb.3a). Es ergeben sich dabei Drehmomente,
welche über den ganzen Beeinflussungsbereich konstant bleiben. Diese symmetrische
rechteckige Kurvenform gestaltet gegenüber allen anderen symmetrischen Drehmomentenkurven
die Drehmomentmessung und den Abgleich der beiden zu kompensierenden Drehmomente
besonders einfach. Die Ursache dieser vorteilhaften Eigenschaft liegt darin begründet,
daß die Induktivität L mit der Eintauchtiefe linear ansteigt. Da die Stromstärke
i in den Drosseln bei der angegebenen ,Brücken- bzw. Differentialschaltung und der
gegenläufigen Veränderung der Induktivitäten im wesentlichen konstant bleibt, so
wachsen bzw. sinken beim Bewegen der Steuerblende die Energiebeträge L - i2 der
Drosseln gegenläufig linear, d. h. auch .der als Rückwirkung jedes Systems auftretende
Energiebetrag Kraft mal Blendenweg verläuft linear. So bleibt mit fortschreitendem
Eintauchweg der Blende die Kraft bzw. das auf die Blende ausgeübte Drehmoment konstant.
Das Eisen der Blende ist unterteilt, um den die Momentenkurven verzerrenden Einfluß
der sich überlagernden abstoßenden Kräfte der Wirbelströme zu vermeiden. Ein Beispiel
für solche Momentenkurven zeigt Abb. 3b. Die beiden Kurven sind oberhalb der Abszisse
dargestellt, um den noch bestehenden geringen Unterschied beider Kurven Mdi, Md2
augenfälliger zu machen. Das noch verbleibende Restmoment Mdr ist hier sehr gering.
Bei einer Blende aus wirbelstromfreiem Eisen wird außerdem infolge des Fortfalles
der Wirbelstromverluste der Wirkungsgrad der Anordnung erheblich verbessert und
kann das Sieben- und Achtfache des Wirkungsgrades bei Verwendung von Wirbelstromblenden
betragen, und zwar aus folgenden Gründen: Das durch eine Wirbelstromscheibe gesteuerte
Drosselsystem stellt einenTransformator dar, der sekundärseitig über die Wirbelstromscheibe
kurzschlußmäßig belastet ist. Je kleiner die Streuung und je niedriger der Widerstand
der Scheibe ist, d. h. je dicker diese ist, um so größer ist die Steuerwirkung der
Blende auf die Induktivität zwischen den Primärklemmen des Transformators. Da die
Streuung u. a. mit der (Größe des Luftspaltes erheblich anwächst, so bedeutet dies,
daß das Wirbelstromprinzip einen geringen Luftspalt und deshalb auch eine dünne
Steuerscheibe bedingt, d. h. die Forderungen nach einer dicken Blende und andererseits
nach einem kleinen Luftspalt stehen sich entgegen. Die genaue Justierung ,der Steuerscheibe
zwecks Vermeidung unnötiger Restluftspalte macht aber fabrikatorisch außerordentliche
Schwierigkeiten, die vermieden werden, wenn an Stelle der Wirbelstromscheibe eine
Scheibe aus wirbelstromfreiemEisen benutzt wird. Eine solche Einrichtung ist dann
als leerlaufender Transformator zu erachten, dessen Leerlaufinduktivität durch den
Eisenschluß der Blende verändert wird, so daß die Streuung praktisch keine Rolle
spielt im Gegensatz zum vorhergehenden Falle. Dann kann aber auch der Luftspalt
und ,die darin bewegliche eiserne Blende wesentlich stärker gehalten werden und
ergibt noch eine gute Sel,bstinduktionsbeeinflussung, so daß sich die Justierung
der Steuerscheibe erleichtert.