-
Vibrationskontaktregler für die Regelung beliebiger Betriebsgrößen
mit Hilfe eines Verstellmotors Der normale Tirrillregler ist wie die anderen bekannten,
nach dem Sellbsterregungsprinzip arbeitenden Vibrationsregler dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Stellung des Meßwerkes eine bestimmte Spannung des vom Tirrillregler gesteuerten
Generators entspricht, wobei, die Zeitkonstante des Generators durch das Vibrationsprinzip
wesentlich verkleinert wird. Die Anwendbarkeit des Tirrillreglers ist damit auf
die Fälle beschränkt, wo als Steuergröße eine Spannung verlangt wird, also im wesentlichen
auf die Spannungs- und Drehzahlregelung, wobei letztere mittels Leonardschaltung,
also auch über einen Generator erfolgt. In vielen Fällen der Drehzahl-, Spannungs-,
Kessel-, Temperatur-und Druckregelung wird nun als Steuergröße eine Verstellbewegung
gefordert zur Betätigung von Regelwiderständen, Klappen, Ventilen u. dgl. m.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist nun ein für die Regelung der verschiedensten
Betriebsgrößen verwendbarer Vibrationskontaktregler, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß als Meß.wertverstärker ein an sich bekannter Vibrationskontaktverstärker
verwendet wird, wobei die Steuerwicklung des Vibrationsrelais dieses Kontaktverstärkers
direkt als Meßwerkswicklung verwendet wird. Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht,
daß jeder Abweichung der Regelgröße von ihrem Sollwert eine bestimmte Geschwindigkeit
des vom Viibrationsregler gesteuerten Verstellmotors entspricht, wobei die Zeitkonstante
des Verstellmotors durch das Vibrationsprinzip klein gehalten wird. Dadurch wird
der Anwendungsbereich des vorliegenden, nach dem Tirrillprinzip selbsterregten Vibrationsreglers
wesentlich erweitert, weil der neue Regler außer für die Spannungs- und Drehzahlregelung
praktisch zur Regelung sämtlicher Betriebsgrößen verwendet werden kann und wobei
die den ,TirrillregIer auszeichnenden guten Eigenschaften des einfachen
Aufbaus
bei hohem Verstärkungsgrad und wirksamer Verkleinerungen der Zeitkonstante der vom
Vibrationsregler gesteuerten Maschine im gleichen Maße vorhanden sind.
-
In Fig. i ist der Erfindungsgedanke am Beispiel eines Spannungsreglers
für einen Gleichstromgenerator dargestellt. Fig. 2,bis 5 zeigen vier verschiedene
Möglichkeiten zur Sollwerteinstellung der Regelgröße, Fig.6 ein praktisches Ausführungsbeispiel
eines nicht polarisierten Vibrationsrelais für eine Regelung nach Fig. i und Fig.
7 das Schaltbild dieses Vibrationsrelais. In Fig. 8 ist eine Drehzahlregelung mit
einem polarisierten Vibrationsrelais dargestellt, dessen prinzipieller Aufbau aus
Fig. g und das Schaltbild aus Fig. io hervorgehen. In Fig. i i und 12 ist je eine
Erweiterung des Erfindungsgedankens am Beispiel einer Spannungsregelung für einen
Synchrongenerator bzw. am Beispiel der Temperaturregelung eines Ofens dargestellt.
-
Die Positionszahlen gelten für alle Abbildungen. In Fig. i stellt
i das Vibrationsrelais dar, das den Verstellmotor 2 -schaltet. 3 ist die Steuerwicklung,
die als Meß-werkswicklung des Reglers dient. 511 und 5b sind Zusatzwicklungen, auf
die eine .der Verstell-,geschwindigkeit proportionale bziv. eine der Änderung der
Verstellgeschwindigkeit proportionale Spannung gegeben werden. 6 ist der Kontaktsatz
des Relais, 7 der Sollwerteinstellwiderstand, 8 die Erregung des Verstellmotors,
g ein Regelwiderstand für die Einstellung der Erregung des mit dem Verstellmotor
gekuppelten kleinen Generators 12 mit Erregerwicklung 13. io ist eine konstante
Gleichspannung, i i ein Spannungsteiler mit 11,Zittelanzapfung für den V erstellmotor.
Der Kondensator 14. dient zur Differentiation der Spannung des Generators i2. Der
Regelwiderstand 15 wird vom Verstellmotor 2 verstellt; letzterer ist mit dem Abgre-ifer
16 unter Zwischenschaltung einer zweckmäßigen Untersetzung gekuppelt. 17 stellt
einen Querfeldverstärkergenerator dar, dessen Erregung 18 über Regehviderstand 15
ausgesteuert wird. icg ist die Kompensationswicklung des Generators 17 zur Kompensierung
des Ankerquerfeldes. Der Antrieb des Generators .erfolgt durch eine Krafttnaschine
2o. Die konstant zu haltende Gleichspannung 2i wird dem Verbraucher zugeführt.
-
Die Wirkungsweise des Vibrationskontaktverstärkers, bestehend aus
Vibrationsrelais i, Verstellmotor 2 und Generator 12, ist bekannt. Die Geschwindigkeit
des Verstellmotors 2 ist lastunabhängig proportional der Spannung an der Meßwerkwicklung
3. Das Vibrationsrelais ist ein nicht polarisiertes Relais mit einpoligem Umschaltkontakt
und einseitiger Ruhelage. Auf den Umschaltkontakt wirkt eine einstellbare feste
Gegenkraft z. B. nach unten, auf deren .Erzeugung nachher an Hand der Fig. 2 bis
5 eingegangen wird. Beim Einschalten des Reglers liegt also der Umschaltelontakt
in der gezeichneten unteren Stellung, der Verstellmotor läuft in der einen Verstellrichtung
hoch und verschiebt dabei den Abgreifer 16 des Regelwiderstand-es 15 nach rechts,
wodurch der Ouerfeldverstärkergenerator 17 in zunehmendem Maße erregt wird. Die
Spannung des Generators 17 liegt nun über den Sollw erteinstell; r 7 an der Wicklung
3 des Vibrationsrelais und erzeugt dort eine nach oben gerichtete Kraft entgegen
der geschilderten festen Gegenkraft. Solange der Umschaltkontakt in der unteren
Stellung liegt, erhält die Wicklung 5a des Vibrationsrelais eine derart gerichtete
Spannung des Generators 12, daß die Kraft dieser Wicklung ebenfalls nach oben gerichtet
ist. Sobald die Summe der Kräfte der Wicklungen 3 und 511 die feste Gegenkraft übersteigt,
schaltet der Umschaltkontakt 6 um, wodurch sich der Verstellmotor und der Generator
12 in der anderen Richtung drehen wollen. Dadurch kehrt sich aber auch die Kraft
der Wicklung 511 um, die jetzt nach unten wirkt, der Vibrationskontakt schaltet
also wieder nach unten um usw. Sobald also der Regelwiderstand 15 seine der Belastung
des Ouerfeldverstärkergenerators 17 entsprechende Stellung eingenommen hat, arbeitet
das Vibrationsrelais stationär, d. h. die Spannung an der Wicklung 3 ist gerade
so groß, daß die Kraft der Wicklung 3 der festen Gegenkraft entspricht. Sinkt jetzt
die Generatorspannung z. B. um io% ab, so geht der Kontakt 6 nach unten, und der
Verstellmotor 2 mit angekuppeltem Generator 12 läuft an und erreicht eine Drehzahl,
die gerade so groß ist, daß die Spannung des Generators 12 die Wicklung 511 so stark
erregt, daß der Kontakt 6 vom unteren Gegenkontakt gehoben wird. Dadurch wird der
Motor 2 stromlos, die Drehzahl will absinken; die kleiner werdende Spannung des
Generators 12 bewirkt jedoch wieder ein Schließen des unteren Kontaktes 6 usw. Der
Verstellmotor wird also eine mittlere Geschwindigkeit annehmen, die der Sollwertabweichung
von i.o % entspricht. Ist die Sollwertabweichung z. B. nur 5 %, so braucht der Generator
12 zur Kompensation dieser 5 % nur eine halb so große Spannung wie vorher abzugeben,
d. h. der Verstellmotor wird mit 5 % der vorigen Drehzahl laufen. Die vibrierende
Arbeitsweise des Relais im stationären ,Zustand bedingt nur .ein Vibrieren des Verstellmotors
um seine Ruhelage herum, wobei die Frequenz der Schwingung durch die Zusatzwicklung
5b und die Eingarbe der beschleunigungsproportionalen Spannung auf diese Wicklung
in bekannter Weise gesteigert ist, so daß die Amplitude dieser Schwingung sehr klein
ist und insbesondere infolge der elektromagnetischen Trägheit des Querfeldverstärkergenerators
in der Spannung 21 dieses Generators nicht mehr in Erscheinung tritt. Tritt
nun z. B. eine Spannungsabweichung der Spannung 21 vom Sollwert infolge Belastungsänderung
auf, so spricht das Vibrationsrelais durch seine vibrierende Arbeitsweise sofort
an und verursacht eine Nachstellung des Regelwiderstandes 15, wobei die Geschwindigkeit
dieser Nachstellung proportional der Abweichung vom Sollwert ist, denn der VerStellmotor
2 läuft bei einer auftretenden Spannungsabweichung so schnell, bis die Rückmeldespann.ung
des angekoppelten Rückmeldegenerators 12 so groß ist, daß sie der Spannungsabweichung
das Gleichgewicht hält.
Der dargestellte Vibrationsregler eignet
sich in Verbindung mit Querfeldverstärkergeneratoren z.B. zur direkten Spannungsregelung
relativ großer Leistungseinheiten, weil der Verstärkungsfaktor derartiger Generatoren
hoch ist. Bei einer an der Erregerwicklung zur Verfügung stehenden Leistung-von
20 W kann bereits eine Ankerleistung von etwa ioo kW direkt vom Vibrationsregler
ohne Zwischenmaschinen beherrscht werden, so daß regeltechnisch sehr günstige Verhältnisse
hinsichtlich der Schnelligkeit der Regelung entstehen.
-
Die Erzeugung der Gegenkraft im Vibrationsrelais kann nach Fi.g. 2
durch Gegenschaltung einer festen, mittels Widerstand 7 einstellbaren Spannung io
gegen die Regelspannung 21 erfolgen oder elektromechanisch nach Fig.3, indem das
Viibrationsrelais eine besondere Gegenspannungswicklung 4a erhält, deren Gegenkraft
durch den einstellbaren Widerstand 7 geändert «-erden kann, oder es wird nach Fig.
4 ein Gegengewicht 23 oder nach Fig. 5 eine Gegenfeder 24 vorgesehen, wobei letztere
stark vorgespannt ist, so daßeine prozentual geringe Spannungsabweichung an der
Wicklung 3 genügt, um das Relais zur Ausführung der Umschaltung zu veranlassen.
Die Verstellmotoren werden zweckmäßig mit Spannungen unterhalb 15 V betrieben, so
daß Schaltwege in der Größenordnung von o, i mm an den Vibrationskontakten ausreichen.
-
Ein praktisches Ausführungsbeispiel eines derartigen Vibrationsrelais
nach Fig. 5, wie es z. B. für den Regler nach Fig. i verwendet werden kann, ist
in Fig.6 dargestellt. Der feststehende Teil 30 i,st mit dem Klappanker 31 in bekannter
Weise durch eine Blattfeder verbunden. Die Feder 24 ist stark vorgespannt. Der Klappanker
betätigt den Umschaltkontakt 611 bis 6c. Die Schaltung der Wicklungen des Relais
geht aus Fig. 7 hervor. Die Pfeile gelben die Kraftrichtungen der einzelnen Wicklungen
an.
-
In Fig. 8 ist der Erfindungsgedanke am Beispiel einer Drehzahlregelung
dargestellt, wobei der in der Drehzahl zu regelnde Gleichstrommotor 25 mit seiner
Nebenschlußwicklung 26 vorteilhaft von einem Querfeldverstärkergenerator 17 gespeist
wird, wenn es sich um größere Leistungen handelt. Der V ibrationsregler eignet sich
natürlich auch zur Drehzahlregelung jeder anderen Kraftmaschine, wobei dann der
Regelwiderstand 15 durch ein Regelorgan ersetzt werden muß, das den Energiezufluß
zur Kraftmaschine einstellen kann. Die Messung der Drehzahl erfolgt durch eine Tachometermaschine
27 mit Erregerwicklung 28, als Vibrationsrelais ist ein polarisiertes Mittelstellungsrelais
vorgesehen, damit die Drehzahlregelung in beiden Richtungen erfolgen kann. Die Sollwerteinstellung
erfolgt mittels einer festen Spannung io über den Spannungsteiler 7 mit Abgriff
29.
-
' Die Wirkungswelse entspricht der Schaltung in Fig. i. Sobald der
richtige Sollwert des Regelwiderstandes 15 eingestellt ist, nimmt das Vibrationsrelais
seine Mittelstellung ein. Im stationären Zustand ist also das Vibrationsrelais in
Ruhe, was im Hinblick `auf die Lebensdauer der Kontakte von Vorteil ist, vor allem
dann, wenn mit der Leistung des Verstellmotors 2 auf größere Werte gegangen wird.
Geringe Schwankungen der Gleichspannung io haben keinen Ei:nfluß auf die Geschwindigkeit
des Motors 25, da die Erregung der Tachometermaschine 27 und der Spannungsteiler
7 an dieser Spannung liegen. Steigt z. B. die Spannung io, so ergibt die Tachometermaschine
27 bei der gleichen Drehzahl eine höhere Spannung, im selben. Maße ist aber auch
die Gegenspannung am Potenti'ometer 7 gestiegen. Solange man also im geradlinigen
Teil der Tachometermaschinenspannungskurve arbeitet, kompensieren sich die beiden
Einflüsse.
-
In Fig. 9 ist der an sich bekannte grundsätzliche Aufbau eines polarisierten
Relais dargestellt, wie es 'bei Reglern nach Fig. 8 verwendet wird. 3,0 ist
der feststehende Teil, 31 die bewegliche Zunge, die Drehschwingungen ausführen kann.
Die Pfeile geben die Flußrichtungen an. ,Die Polarisationswicklung 4b versucht,
die Zunge 31 in der Nullstellung zu halten. Dem wirken die Flüsse der Meßwicklung
3 entgegen, deren linker Teilfluß z. B. den Polarisationsfluß unterstützt und deren
rechter Teilfluß dem Polarisationsfluß entgegenwirkt. Dadurch wird der bewegliche
Teil 31 eine Drehung nach links ausführen. Dem wirken die Flüsse der Zusatzwicklungen
5a und Sb entgegen. Falls die Gegenkraft zur Wicklung 3 elektromagnetisch erzeugt
wird, sieht man eine weitere Wicklung 4a vor. Das zugehörige Schaltbild mit den
Kräftepfeilen zeigt Fig. io.
-
Wenn die Zeitkonstanten der dem VibratIons= regier nachgeschalteten
Regelkreisglieder, also z. B. die Maschine 17 und 25 in Fig. 8, genügend groß sind,
kann auf die Wicklung Sb des Vibrationsrelais mit der beschleunigungsproportionalen.
Spannung zur Erhöhung der Vibrationsfrequenz verzichtet werden, denn dann «erden
diese periodischen Schwankungen in der Regelgröße ohnehin nicht mehr sichtbar.
-
Ferner kann in. manchen einfacheren Fällen auf einen besonderen, mit
dem Verstellmotor gekuppelten Generator zur Erzeugung der drehzahlproportionalen
Spannung verzichtet werden, indem einfach die Ankerspannung des Verstellmotors 2
auf die Wicklung 5a des Vibrationsrelais gegeben wird. Allerdings wird dadurch die
Verstellgeschwindigkeit des Verstellmotors lastabhängig, was aber in solchen Fällen,
wo die Belastung des Verstellmotors annähernd konstant bleibt, ohne Bedeutung ist.
Dies ist z. B. der Fall, wenn das vom Verstellmotor angetriebene Regelglied im wesentlichen
konstante Reibung aufweist, wie es z. B. bei Regelwiderständen der Fall ist. Schließlich
kann der Einfluß einer Lastabhängigkeit der Verstellmotorgeschwindigkeit durch eine
Stromwicklung des Vibrationsrelais kompensiert werden, indem der Strom des Verstelimotors
durch diese Wicklung geführt wird und bei zunehmender Belastung eine die Motorankerspannung
unterstützende Wirkung im Relais hervorruft.
Der Vorteil des geschilderten
Vibrationsregl.ers gegenüber dem bekannten Tirrillregler liegt darin, daß i. mit
dem Verstel.lmotor Kraftschalter beliebiger Art betätigt werden können, insbesondere
also Ventile und Klappen bei der Drehzahlregelung von Verbrennungsmaschinen, bei
der Druckregelung, Kesselregelung usw., 2. die Verstellgeschw indigkeit eingestellt
werden kann, so daß eine Anpassung an dien Regelkreis möglich ist und keine Pendelungen
auftreten (Diese Einstellung erfolgt mittels Widerstand 9. Bei Vergrößerung dieses
Widerstandes nimmt die Verstellgeschwindigkeit zu und umgekehrt. Man hat also damit
eineinfaches Mittel in der Hand, um den Regler an seine Regelstrecke anzupassen.
Bei einfacheren Regelkreisen reicht dies vollkommen aus. Bei schwierigeren Fällen
wird man daneben noch eine Zusatzwicklung des V ibrationsrelais mit einer geeigneten
Rückführgröße zur Vermeidung von Pendelungen speisen, vor allem dann, wenn man mit
Rücksicht auf die Schnelligkeit der Regelung mit der Verstellmotorgeschwindigkeit
nicht zu weit herabgehen will.), 3. für den Vibrationsregler einfache, serienmäßig
hergestellte Relais und Verstellmotoren verwendet werden können. (Insbesondere fallen
die teuren träghei.tsarmen Spezialmotoren weg, da durch das Vibrationsprinzip die
Zeitkonstante des Verstellmotors wesentlich verkleinert wird, so daß normale Gleichstrommotoren
verwendet werden können.) Bei der Spannungsregelung von Wechselstromnetzen müßte
die dem Viibrationsrelais zugeführte @A"echselspannung gleichgerichtet werden. Um
dies zu umgehen und den Einfluß der Gleichrichter auf die Größe der konstant zu
haltenden Wechselspannung auszuschalten, kann es zweckmäßig sein, den vorliegenden
Vibrationsregler wie beim Tirrillregler in ein Meßl#verk und ein Rückführmeßwerk
aufzuteilen. Diese Aufteilung ist auch dann zweckmäßig, wenn man höchste Empfindlichkeit
des Reglers, z. B. für die Temperaturregelung, erziel-en will, weil dann der Wickelraum
im eigentl.ich°n Meßwerk voll für die Meßwicklung zur -'erfügung steht und keine
besonderen Wicklungen für Rückführz,%7#lecke untergebracht werden müssen.
-
In Fig. I I ist ein Beispiel eines derartigen Vibrationsreglers zur
Spannungsregelung einer Synchronmaschine 33 von einigen Tausend Kilowatt mit einem
Querfeldverstärkergenerator 17 als Erregermaschine dargestellt. Das eigentliche
Meßwerk ia des Vibrationsreglers kann als normaler gewichtsbelasteter Wechselstrommagnet
ausgebildet werden, wie er z. B. beim Tirrilzregler verwendet wird. Er ist mit dem
Hebel 31, der den Umschaltkontakt 6a trägt, verbunden. Die Gegenkontakte 6b und
6a sitzen am Hebel 32, der mit einem polarisierten Rückführmeßwerk lb, z. B. einem
Tauchspulmeßwerk, verbunden ist. Die Tauchspule 34 dieses Meßwerks liegt an der
drehzahlproportionalen Spannung des Generators 12. Außerdem besitzt diese Tauchspule
noch zwei Teilwicklungen, die- an der festen Gleichspannung io liegen und der Tauchspule
in bekannter Weise eine Nullstellungscharakteristik (elektrische Feder) geben. Die
Erregerwicklung des Tauchspulmeßwerkes liegt ebenfalls an der festen ,Gleichspannung
io.
-
Sobald die Synchronmaschine den Sollwert ihrer Spannung erreicht hat,
bewegt sich der Meßwerkkern des astatischen Meßwerkes lb nach oben, und die Vibrationskontakte
beginnen in bekannter Weise zu arbeiten, wobei durch die Rückführung der drehzahlproportionalen
Spannung auf das Rückführmeßwerk iv dafür gesorgt wird, daß die Geschwindigkeit
des Verstellmotors 2 wieder proportional der Abweichung der Regelgröße vom Sollwert
ist. Ist keine Gleichstromquelle vorhanden, so speist man den Regelwiderstand 15
vom Anker des Generators 17 in Selbsterregungsschaltung und speist das Gleichstromnetz
1o vom Wechselstromnetz 22 über einen Gleichrichter. Beim Einschalten des Reglers
legt sich der Kontakt 611 zunächst an Kontakt 6c- an. Da sich der Generator 17 selbst
erregt, ist eine gewisse Wechselspannung 22 und damit auch eine gewisse Gleichspannung
io vorhanden, so daß der Verstellmotor 2 zu la7"ufen beginnt und den Regelwiderstand
15 so lange verstellt, bis der Sollwert der Wechselspannung 22 eingeregelt ist.
Im Betrieb wird dann das Gleichstromnetz io praktisch mit dem Wechselstromnetz 22
mitgeregelt.
-
Fig. 12 zeigt eine Ausführung des Erfindungsgedankens für eine Temperaturregelung,
wobei das Vibrationsrelais zum Zweck der Empfindlichkeitssteigerung in zwei mechanisch
getrennte Meßwerke aufgeteilt ist. Das eigentliche Meßwerk besteht aus einem empfindlichen
Drehspulme3-,verk ia mit der Meßwicklung 3 und einem Drehspulmeßwerk lb für die
drehzahlproportionale Gegenspannung mit der Wicklung 511. .Der Sollwert der Regelgröße
wird durch die Gegenkraft der Feder 4.a eingestellt, die auch in Form einer konstant
erregten Zusatzwicklung auf der Drehspule ausgebildet werden kann. Das Rückführmeßwerk
lb hat eine ausgeprägte Nullstellung durch das Federpaar 4.P, das auch durch elektromagnetische
Polarisation des Meßwerkes erreicht werden kann. Der Verstellmotor 2 wird über die
Hilfsrelais 38a und 38b geschaltet. Es verstellt über ein entsprechendes Untersetzungsgetriebe
37 einen Regelwiderstand 15, der seinerseits den Heizstrom durch die Heizwicklung
35 des zu regelnden Ofens 3,4 einstellt. Die Temperaturmessung erfolgt durch das
Thermoelement 36.
-
Die Wirkungsweise entspricht vollkommen der der vorausgegangenen Beispiele.
Da die Zeitkonstante des Ofens im allgemeinen sehr groß ist, kann auf -eine zusätzliche
Erhöhung der Vibrationsfrequenz durch Einführen einer beschleunigungsproportionalen
Rückführspannung auf das Vibrationsrelais verzichtet werden. Ferner muß man, um
stabile Verhältnisse zu bekommen, mit der Verstellgeschwindigkeit des Regelwiderstandes
15 stark heruntergehen; es ist daher ein entsprechendes Untersetzungsgetriebe 37
erforderlich.
-
Der Vorteil der vorliegenden Anordnung gegenüber bekannten Schaltungen
liegt in der kontinuierlichen
Arbeitsweise des Reglers, die ein
periodisches Schwanken der Temperatur, wie es z. B. bei den ibekannten Fallbügelreglern
der Fall ist, ausschließt. In der dargestellten Schaltung kann der Verstellmotor
auch als Kurzschlußläufer ausgeführt werden, indem die Hilfsrelais 38a und 38b ihn
mit verschiedener Drehrichtung auf ein Drehstromnetz schalten. Andererseits kann
die Schaltung nach Fig. 1z auch so abgeändert werden, daß die Vibrationskontakte
6 direkt einen kleinen Verstellmotor a (wie in Fig. t z) steuern, der über einen
Regelwiderstand 15 ein Hauptrelais steuert, das seinerseits einen Vorwiderstand
im Heizstromkreis des Ofens 34 periodisch einschaltet bzw. kurzschließt.