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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung einer technisch-physikalischen
Größe, insbesondere zur Gleichlaufregelung von Elektromotoren Die Erfindung bezieht
sich auf die selbsttätige Reglung technisch-physikalischer Größen, beispielsweise
elektrischer Größen, wie Spannung, Strom od. dgl., in Abhängigkeit von Abweichungen
dieser Größen von einem gegebenen Sollwert. Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung
für die Regelung der Drehzahl :eines Elektromotors in Abhängigkeit von Abweichungen
der Motordrehzahl von einer gegebenen Solldrehzahl. Regeleinrichtungen dieser Art
werden besonders bei sogenannten Glieichlaufantrieben, beispielsweise beim elektromotorischen
Einzelantrieb von Papiermaschinen und ähnlichen mehrteiligen Arbeitsmaschinen, angewendet.
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Es läßt sich zeigen, daß der Regler bei einer Abweichung der zu regelnden
Größe von ihrem Sollwert einen Weg durchläuft, der in Fig. r in Abhängigkeit von
der Zeit dargestellt ist, Der Reglerausschl.aga schwingt um den RegelwertA, den
der Regler nach beendeter Schwingung einnimmt. Von dieser Reglerschwingung nach
Fig. i läßt sich die in Fig. a dargestellte Schwingung .ableiten, welche die Winkelgeschwindigkeit
w der Reglerbewegung in Abhängigkeit von der Zeit angibt. Beide Kurven
haben
einen ähnlichen Charakter. Sie sind exponentiell ,gedämpft und verlaufen nach derselben
Frequenz. Der Unterschied besteht darin, daß die Kurve für den Reglerweg nach Fig.
i gegenüber der Kurve für die Winkelgeschwindigkeit nach Fig. a um 9o° phasenverschoben
ist. Außerdem schwingt die Kurve der Fig. i nicht um den Nullwert, sondern um einen
Wert A, der den eigentlichen Sollwert der Reglerbew-egung darstellt. Wäre der Regler
ideal, so würde :er unmittelbar über die Weglänge A laufen, und zwar nach der in
Fig. i gestrichelt gezeichneten Linie. Tatsächlich erreicht der Reglerarm erst nach
mehreren Schwingungen den richtigen Sollwert. Er durchstreicht diesen Wert mehrmals,
und zwar jedesmal dann, wenn der zugeordnete Wert der Winkelgeschwindigkeit (Fig.
z) durch einen Scheitel wandert.
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Durch die Erfindung soll verhindert werden, daß der Regler erst nach
mehrmaligem Schwingen um den angestrebten Sollwert diesen Wert erreicht. Gemäß der
Erfindung -wird zu dem Zweck zwischen dem Regler und dem ihn bei Abweichungen vom
Sollwert steuernden Verstellglied eine Kupplung vorgesehen, die bei einer Abweichung
der zu regelnden Größe vom Sollwert geschlossen bzw.eingeschaltet wird, während
die Kupplungsverbindung wieder aufgehoben wird, sobald der Regler seine höchste
Regelgeschwindigkeit erreicht hat. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß
der Regler schon ,am Anfang der Reglerschwingung (Fig. i) den nach Beendigung dieser
Schwingung erreichten Sollwert durchläuft und daß es zur Verkürzung der Dauer des
Regelvorganges darauf ankommt, den Regler in dem Augenblick festzuhalten, in dem
er im Verlauf der Reglerschwingung zum erstenmal den Sollwert erreicht. Die Erfindung
beruht weiterhin auf der Erkenntnis, daß dieser Zeitpunkt dadurch gekennzeichnet
ist, daß er zeitlich mit dem ersten Scheitehvert der Kurve für die Winkelgeschwindigkeit
des Reglers (Fig. z) zusammenfällt, d. h. niit dem Scheitelwert, der größer ist
als .alle ihm nachfolgenden Scheitelwerte: Mit anderen Worten steht der Reglerarm
dann auf dem richtigen Widerstandspunkt, wenn das Verstellglied des Reglers sich
am schnellsten dreht. Bei ,einer Gleichlaufanordnung mit mechanischem Differential
ist dies der Zeitpunkt, in. dem das Differential sich am schnellsten dreht, wenn
also die Drehzahldifferenz der beiden Differentialwellen ihren Höchstwert erreicht.
Durch die erfindungsgemäß zwischen das Verstellglied und den Regler geschaltete
Kupplung wird der Regler in diesem Augenblick abgefangen und festgehalten. jede
weitere Reglerschwingung wird dadurch abgebremst, und es gelingt. die Dauer des
Regelvorganges ganz wesentlich herabzusetzen. Der Solhvert A der Reglerschwingung
nach Fig. t wird in einer sehr viel kürzeren Zeiterreicht. Man kann, ,ohne eine
Instabilität zu befürchten, einen wenig trägen Regler und eine ausreichende Übersetzung
verwenden und so das Differential einer Gleichlaufregeleinrichtung zu einem einfachen
Schnellregler ausbilden, ohne störende Schwingungserscheinungen befürchten zu müssen.
In jedem Fall kommt es darauf an, daß der Regler diejenige Stellung, in der seine
Geschwialdigkeit den Höchstwert hat, nicht mehr verläßt.
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Die Aufgabe, einen rotierenden Arm gerade darin stillzusetzen, wenn
er -einen jeweils verschiedenen Höchstwert der Winkelgeschwindigkeit erreicht hat,
läßt sich .erfindungsgemäß indirekt lösen. Der Lösungsweg geht von der Erkenntnis
aus, daß wegen des nahezu sinusförmigen Verlaufs dieser Bewegungskurve in dem Augenblick,
in dem die Winkelgeschwindigkeit ihren Höchstwert erreicht, die Änderung derselben,
also die Beschleunigung bzw._Verzögerung, gleich Null -wird. Da diese Änderung dein
ersten Differentialquotienten der Bewegung nach der Zeit entspricht, folgt, daß
sich der gewünschte Zeitpunkt durch eine elektrische Nachbildung der Differentialkurve
zu der Bewegungskurve des Reglerarmes festlegen läßt. Eine besonders einfache Lösung
besteht darin, daß die Spannung zwischen dem Reglerarm und einem beliebigen festgehaltenen
Punkt des Reglerwriderstandes, beispielsweise einer der beiden Klemmen, <einem
Meßwandler zugeführt wird. Der sekundärseitige Strom dieses Wandlers wird einem
Relais zugeführt, das in dem gewünschten Zeitpunkt die Kupplung zwischen dem Vierstellglied
und dem Regler, bei einer Gleichlaufanordnung also die Kupplung zwischen Differential
und Reglerarm, aufhebt. Der Sekundärstrom des Wandlers ist das zeitliche Differential
nach der Primärspannung, ist also der zeitlichen Änderung dieser Spannung verhältnisgleich.
Da die Primärspannung ihrerseits der Winkelgeschwindigkeit linear entspricht, gilt
der Sekundärstrom den gesuchtenWert richtig wieder. Der Strom wird zu Null, wenn
die Primärspannung maximal wird und der Reglerarm seine Höchstgeschwindigkeit erreicht.
Dieser Nulldurchgang wird erfindungsgemäß dazu benutzt, um einen bis dahin den Reglerarm
mit dem Verstellglied, also einer Differentialwelle, kuppelnden Magneten abzuschalten.
Da der Reglerarm mit einer Bürste unter Reibung auf dem Widerstand aufliegt, wird
er nach der Entkupplung praktisch unvTrzögert stehenbleiben. Wie bereits erwähnt,
muß der Reg lerarm zu Beginn jedes Regelvorganges mit seinem Verstell gli@ed gekuppelt
werden, damit er die Bewegung zu dem Solhvert durchführen kann. Zweckmäßig wird
dazu bei einem Elektromotor die bei einer Gleichlaufabweichung auftretende Ändcrung
des Ankerstromes benutzt.
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In Fig.3 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung die Schaltung eines
Gleichstrommotors i dargestellt, dessen Feldwicklung a durch einen Regler 3 ,gesteuert
wird. Es sei angenommen, daß der Regelarm dieses Reglers durch eine Kupplung ¢ mit
einem in der Zeichnung nicht dargestellten Difcrential gekuppelt werden kann. Die
Magnetkupplung q. wird durch einen Kontakt r eines Relais R eingeschaltet. Zur Steuerung
des Relais R dienen zwei Wicklungen. Die Beine der beiden Wicklungen ist an einen
im Ankerkreis des Motors i liegenden Wandler angeschlossen, während die andere Wicklung
über einen Gleichrichter 5 an die Sekundärwicklung eines im Feldkreis des Motors
liegenden
Wandlers angeschl)ssen ist. Sobald sich bei einer Gleichlaufabweichung
der Ankerstrom des Motors ändert, spricht das Relais R .an, und durch die dadurch
eingeschaltete Kupplung 4. wird der Regler 3 mit seinem Verstellglied gekuppelt.
Der Regler beginnt, den Regelwiderstand mit steigender Geschwindigkeit zu überstreichen.
Dadurch erhält der vor die Feldwicklung des Motors geschaltete Wandler veränderten
Stromdurchfluß. Es entsteht ein Sekundärstrom, der durch den Gleichrichter 5 gleichgerichtet
und der zweiten Wicklung des Relais R zugeführt wird. Die Zugkraft dieser Wicklung
erhält den Relaisanker ,angezogen, und zwar so lange, bis der gleichgerichtete Sekundärstrom
des Wandlers im Feldkreis Null wird. Dies tritt, wie oben gezeigt, in dem Augenblick
ein, in dem der Reglerarm seine jeweilige Höchstgeschwindigkeit erreicht hat und
daher auf dem dem neuen Gleichgewichtszustand entsprechenden neuen Sollpunkt des
Regelwiderstandes steht. Durch das Abfallen des Relaisankers wird der Kupplungsmagnet
abgeschaltet. Um den Reglerarm sofort stillzusetzen, kann man einen Bremsteller
anordnen. und den Kupplungsmagneten derart einrichten, daß er, wenn sein Anker abgefallen
ist, sich als Bremsnocken an diesen Teller anlegt. Da nach der Abschaltung der Kupplung
der Reglerarm stillsteht, wird die Spannung auf der Sekundärseite des Meßwandlers
nicht mehr verändert. Sie bleibt Null. Daher bleibt auch das Relais R abgefallen,
der Kupplungsmagnet bleibt bis zum nächsten Regelvorgang ,abgeschaltet.
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Die Erfindung ist zwar von besonderem Vorteil für Gleichlaufregelungen,
bei denen der Regler durch ein mechanisches Differential gesteuert wird, sie kann
jedoch grundsätzlich auch bei ,anderen selbsttätigen Reglern angewendet werden,
deren Verstellglied in an sich bekannter Weise von A1-weichungen zwischen der zu
regelnden Größe und einem ihr zugeordneten. Söllwert iabhängig ist. Die Erfindung
kann beispielsweise auch für eine Tänzerwalzensteuerung verwendet werden. In diesem
Fall wird zwischen die Tänzerwalze und den Reglerarm eine elektromagnetische Kupplung
geschaltet, und der Magnet der Kupplung wird in der oben beschriebenen Weise in
Abhängigkeit von dem Regelvorgang gesteuert.