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Selbsttätige elektrische Einrichtung zur Drehzahlregelung Es ist bekannt,
die Drehzahl von Elektromotoren mit Hilfe von Fliehkrafteinrichtungen zu regeln.
Hierbei ist auf der Welle des Motors eine Scheibe angeordnet, auf der eine oder
mehrere Federn befestigt sind. Unter dem Einfluß der Fliehkraft ändern die Federn
ihre Form, und jede von ihnen bewirkt bei Erreichung einer bestimmten Drehzahl einen
KontaktschluB, durch den z. B. ein Vorwiderstand im Erregerkreis des Motors kurzgeschlossen
wird. Durch die Verstärkung des Feldes wird die Drehzahl des Motors erniedrigt,
der Kontakt öffnet sich wieder und schaltet den Vorwiderstand von neuem in den Erregerkreis
des Motors. Das Spiel wiederholt sich ständig, und die Drehzahl des Motors pendelt
bei geeigneter Bemessung des Reglers in sehr kleinen und sehr schnellen Schwankungen
um den Sollwert, der durch die Dimensionierung der Feder und die Kontakteinstellung
gegeben ist. Es sind auch Einrichtungen bekannt, um diesen Sollwert während des
Betriebes der Maschine zu verändern. Bei diesen Einrichtungen kann auf mechanischem
Wege der Kontakt oder die Feder verschieden eingestellt werden, so daß die Drehzahl,
bei welcher der KontaktschluB eintritt, je nach Einstellung verschieden gewählt
werden kann.
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Mechanische Einrichtungen zur Einstellung des Drehzahlsollwertes während
des Betriebes lassen sich schwierig ausführen, wenn z. B. die zu regelnde Maschine
von der Schalttafel, von der sie gesteuert werden soll, weit entfernt ist. Auch
bewirkt das
Spiel, das mechanisch bewegte Teile gegeneinander besitzen,
daß es schwierig ist, jeder Stellung des Einstellhebels eine bestimmte Drehzahl
mit größerer Genauigkeit zuzuordnen. Die erwähnten Schwierigkeiten treten vor allem
in Erscheinung im Eisenbahnsicherungswesen, wo man in Fällen, wie z. B. bei der
Prüfung von Zugbeeinflussungseinrichtungen, leicht und genau einstellbare Regeleinrichtungen
benötigt. Hierbei will man z. B. mit einem Prüfwagen die Gleise entlang fahren,
und die induktive Zugbeeinflussungseinrichtung prüfen auf ihr Verhalten bei den
verschiedenen Einflüssen des Betriebes, vor allem auch auf Änderung der Resonanzfrequenz.
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Die Erfindung bezweckt, für solche und ähnliche Fälle eine Regeleinrichtung
zu schaffen, die den hierbei auftretenden Einflüssen in jeder Weise gerecht wird.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an die zu regelnde Maschine
eine Einrichtung angeschlossen wird, in deren Schaltungszusammenhang sich eine oder
mehrere Induktivitäten und Kapazitäten sowie ein Verstellorgan für die Maschinendrehzahl
befinden, und die mit einer Frequenz gespeist wird, welche der Drehzahl der Maschine
proportional ist. Innerhalb gewisser Frequenzbereiche ändern sich die Ströme und
Spannungen in einem derartigen Schaltungszusammenhang sehr stark mit der Frequenz
und eignen sich daher gut zur Betätigung eines selbsttätig wirkenden Steuerorgans
für die Drehzahlverstelleinrichtung der Maschine. Durch Veränderung einer oder mehrerer
Induktivitäten oder Kapazitäten kann der kritische Strom- oder Spannungswert, auf
den das Steuerorgan anspricht, jeweils der gewünschten Frequenz zugeordnet werden,
d. h. durch eine solche Veränderung kann der Drehzahlsollwert beliebig gewählt werden.
Die zur Drehzahl proportionale Frequenz kann in bekannter Weise, z. B. durch einen
mit der Motorwelle gekuppelten Wechselstromgenerator, erzeugt werden.
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Fig. i zeigt ein Beispiel der Erfindung. Der zu regelnde Gleichstromnebenschlußmotor,
enthaltend den Anker i und die Feldwicklung 2, treibt den zur Regelung dienenden,
durch permanente Magnete erregten Wechselstromgenerator 3 an. Dieser speist einen
Resonanzkreis, der durch den veränderlichen Kondensator q. und die Drossel 5 gebildet
wird. Mit dem Resonanzkreis ist der Gleichrichter 6 in Reihe geschaltet, welcher
der Spule 7 des Regelrelais 8 einen zum Wechselstrom im Resonanzkreis proportionalen
Gleichstrom zuführt. Hierdurch wird der Anker 9 angezogen, der mit in der Wicklung
7 steigendem Strom die Feder io mehr und mehr spannt und bei einem bestimmten Strom
den Kontakt i i erreicht und ihn öffnet. Der Kontakt i i schließt in der Grundstellung
den Vorwiderstand 12 der Erregerwicklung 2 kurz.
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Das Arbeiten dieser Einrichtung wird an Hand von Fig. 2 erläutert.
Hier ist auf der Abszisse die Drehzahl bzw. die Frequenz, auf der Ordinate der Strom
im Resonanzkreis bzw. der dazu proportionale Strom in der Relaiswicklung 7 aufgetragen.
Dieser Strom ändert sich mit der Frequenz in bekannter Weise nach einer Resonanzkurve,
deren Lage durch die Größe von Induktivität und Kapazität bedingt ist. Die Resonanzkurve
13 möge einer bestimmten Einstellung des Kondensators entsprechen, und das Relais
8 möge so eingestellt sein, daß es den Kontakt ii öffnet, wenn der Strom den Wert
il erreicht hat. Wird nun der Motor angelassen, so bleibt der Kontakt r i so lange
geschlossen, bis die Drehzahl n1 erreicht ist. Dann hat der Anker 9 die Feder io
so weit gespannt, daß der Kontakt i i geöffnet wird und den Vorwiderstand 12 vor
die Feldwicklung 2 schaltet. Durch die Feldschwächung nimmt die Drehzahl weiter
zu, bis der Wert st, erreicht ist, bei dem der Stromwert il unterschritten und der
Kontakt i i wieder geschlossen wird. Der Motor wird nun die Drehzahl n2 beibehalten,
da jede Überschreitung dieses Wertes ein Schließen von i i, eine Federverstärkung
und damit wieder eine Drehzahlverminderung, jede Unterschreitung ein Öffnen von
i i, eine Feldschwächung und damit wieder eine Drehzahlerhöhung zur Folge hat. Bei
richtiger Bemessung der Einrichtung wird der Anker 9 sehr kleine und sehr schnelle
Schwingungen ausführen, und die Drehzahl des Motors wird in kleinen Schwankungen
um den Wert lt, pendeln. Soll nun z. B. der Drehzahlsollwert des Motors auf den
Wert n3 erhöht werden, so verkleinert man die Kapazität des Kondensators q. so lange,
bis die Kurve 13 in die weiter rechts liegende Kurve 14 übergegangen ist, deren
abfallender Teil die Ordinate il im Werte n3 schneidet. Dadurch hält das Relais
8 den Kontakt i i so lange geöffnet, bis der Motor infolge der andauernden Feldschwächung
die Drehzahl it, erreicht hat. Dann wiederholt sich das oben beschriebene Spiel
der Regeleinrichtung. Entsprechende Vorgänge vollziehen sich, wenn die Kapazität
des Kondensators 4. zum Zweck einer Erniedrigung des Drehzahlsollwertes vergrößert
wird.
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Ein anderes Beispiel der Erfindung ist in Fig. 3 erläutert. Vor die
Feldwicklung 15 des Gleichstromnebenschlußmotors sind hier die beiden Regelwiderstände
16 und 17 geschaltet. Zum Widerstand 17 liegt der Kontakt 2o des Regelrelais i9
parallel. Während das Relais 8 in Fig. i seinen Kontakt bei angezogenem Anker öffnet,
ist das Relais i9 so ausgebildet, daß es den Kontakt schließt, wenn der Strom il
im Resonanzkreis erreicht wird. Die Widerstände 16 und 17 sind mit dem Drehkondensator
18 und einem Handrad 23 mechanisch gekuppelt, so daß jeder Stellung des Drehkondensators
auch bestimmte Widerstandswerte von 16 und 17
zugeordnet sind. Zum Drehkondensator
18 liegt der feste Kondensator 2i parallel. i8 und 21 bilden die Kapazität eines
Resonanzkreises, der die gleiche Aufgabe hat, wie an Hand von Fig. i beschrieben.
Wird der Motor angelassen, so sind die Widerstände 16 und 17 einschließlich der
ersten Stufe 22 ganz ausgeschaltet, der Drehkondensator ist hierbei auf seinen vollen
Kapazitätswert eingestellt. In dieser Stellung findet noch keine Regelung statt,
und für die Abhängigkeit von Drehzahl und Strom
im Resonanzkreis
möge hierbei die Kurve 13 in Fig. 2 gelten. Dreht man nun das Handrad in Pfeilrichtung,
so wird zunächst die feste Stufe 22 des Widerstandes i7 eingeschaltet, wobei sich
16 und 18 in ihren elektrischen Werten noch nicht verändern. Das Feld des Motors
wird hierdurch geschwächt, er erhöht seine Drehzahl, bis sie den Wert ni erreicht.
Bei dieser Drehzahl wird die Stromgrenze il überschritten, und das Relais i9 schließt
den Kontakt 2o. Der Kontaktschluß hat wieder eine Drehzahlverminderung zur Folge,
und es beginnt nun der Regelvorgang, der sich in dem Beispiel nach Fig.3 auf dem
ansteigenden Ast der Resonanzkurve vollzieht, da das Relais ig mit einem bei angezogenem
Anker geschlossenen Kontakt versehen ist. Dreht man nun das Handrad 23 in Pfeilrichtung
weiter, um durch Verkleinerung der Kapazität den Drehzahlsollwert zu erhöhen, so
werden gleichzeitig Teile des Widerstandes 16 vor das Feld des Motors geschaltet.
Dieser Widerstand ist so gestuft, daß in jeder Stellung des Handrades 23 bei mittlerer
Klemmenspannung und mittlerer Belastung des Motors der Kontakt 20 etwa gleich lange
geschlossen und geöffnet ist, so daß die Regeleinrichtung in jeder Einstellung etwa
gleich große Spannungs- und Lastbereiche beherrschen kann; dem gleichen Zweck dient
die Veränderlichkeit des Widerstandes 17, die z. B. so getroffen werden kann, daß
der vom Kontakt 2o getastete Widerstandswert stets im gleichen Verhältnis zu den
nicht getasteten Erregerkreiswiderständen steht.
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Bei einer Einrichtung nach Fig. i oder 3 kann das Handrad zur Sollwer
teinstellung mit einer in Drehzahlwerten geeichten Skala versehen werden, wenn es
gelingt, die wesentlichen Teile der Einrichtung in ihren elektrischen Eigenschaften
genügend konstant zu machen. Es ist bekannt, daß Induktivität, Kapazität und Wirkwiderstand
eines Resonanzkreises sowie die Stromübersetzung eines Gleichrichters bei geeigneter
Bemessung sehr gut konstant gehalten werden können; eine etwas größere Schwierigkeit
besteht bei dem Kontakt des Regelrelais, der sich infolge des sehr häufigen Schaltens
sehr schnell abnutzen kann. Dies würde z. B. bei dem Relais 8 (Fig. i) zur Folge
haben, daß der Kontakt i i, der anfangs bei Erreichung des Stromes il geöffnet wurde,
nach der Abnutzung schon z. B. bei dem kleineren Strom i2 öffnet, wodurch die Drehzahl
des Motors nach Kurve 13 in Fig. 2 nicht mehr auf den Wert n2, sondern auf den Wert
n4 geregelt würde. Es sind auch Mittel bekannt, um die Veränderung des Kontaktes
auch bei häufigem Schalten klein zu halten; auch läßt sich das Relais so durchbilden,
daß einer bestimmten Veränderung des Kontaktes eine möglichst kleine Veränderung
des Ansprechstromes entspricht. Eine weitere Möglichkeit, den Einfluß von Veränderungen
im Relais und auch im Übersetzungsverhältnis des Gleichrichters auf die Genauigkeit
der geregelten Drehzahl gering zu machen, liegt im Wesen der Erfindung. Aus Fig.2
ist ersichtlich, daß eine Änderung des Ansprechstromes i eine um so kleinere Änderung
der geregelten Drehzahl hervorruft, je steiler die Kurve 13 bzw. 14 verläuft. Ein
steiler Verlauf läßt sich durch Verwendung eines sehr schwach gedämpften Schwingungskreises
erzielen, dessen. Drossel aber räumlich verhältnismäßig groß sein muß, er kann aber
auch durch Verwendung einer Drossel mit stark gesättigtem Eisenkern erreicht werden.
Eine solche Drossel verringert ihre Induktivität mit steigendem Strom. Während nun
in einem Resonanzkreis mit stromunabhängiger Induktivität die Resonanzfrequenz konstant
ist und die Resonanzkurve beiderseits des Resonanzmaximums etwa gleich steile Flanken
hat, verschiebt sich in. einem Resonanzkreis mit stark gesättigter Drossel die Resonanzfrequenz
bei steigendem Strom zu höheren Werten und bei fallendem Strom zu niedrigeren Werten
hin. Durchläuft man die Resonanzkurve eines solchen Kreises von kleinen zu großen
Frequenzwerten, so bewegt sich im ansteigenden Ast die Resonanzfrequenz im gleichen
Sinne, was einen sehr allmählichen Stromanstieg zur Folge hat. Ist jedoch das Maximum
des Stromes überschritten, so kehrt die Resonanzfrequenz ihre Bewegungsrichtung
um und verschiebt sich bei sinkendem Strom zu kleineren Werten. Dies bewirkt einen
steilen Stromabfall. Unter Umständen kann der Strom auch plötzlich auf einen kleineren
Wert sinken und dabei ein labiles Gebiet durchlaufen. Der Strom ist in diesem Falle
in bezug auf die Frequenz in einem gewissen Frequenzbereich mehrdeutig und durchläuft
bei steigender und sinkender Frequenz eine andere Kurve. Eine Einrichtung mit mehrdeutigem
Bereich eignet sich für die Regelung kaum. Der günstigste Fall für die Regelung
liegt dann vor, wenn ein mehrdeutiger Frequenzbereich gerade nicht mehr vorhanden
ist. Dieser günstige Fall kann durch entsprechende Wahl des Verhältnisses von Blind-
zu Wirkwiderstand und durch etwaige Einschaltung einer zweiten, schwach gesättigten
Drossel erreicht werden. Fig.4 zeigt einen derartigen Kreis, in welchem die Drossel
230,
deren Eisenkern die stark gesättigte Stelle 24 besitzt, in Reihe mit
der schwach gesättigten Drossel 26 und dem veränderlichen Kondensator 25 von dem
permanent erregten Hilfsgenerator 28 gespeist wird. Die Kurve 27 in Fig.5,
deren Abszissennullpunkt unterdrückt ist, gibt für diesen Kreis die Abhängigkeit
von Strom und Frequenz bzw. Drehzahl an. Die Regelung erfolgt auf dem stark abfallenden
Ast der Kurve, und zwar auf den Wertni. Das Regelrelais 29 in Fig. 4 ist daher so
beschaffen, daß es seinen Kontakt 30, der im übrigen wie der Kontakt i i in Fig.
i wirkt, bei Überschreitung des Stromes il öffnet.
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Voraussetzung für das einwandfreie Arbeiten der beschriebenenRegeleinrichtungen
ist, daßjedem Regelpunkt auf den Kurven 13, 14 bzw. 27 eine bestimmte EMK des Hilfsgenerators
zugeordnet ist. Das kann, wie in den Fig. i und 3 vorausgesetzt, durch Erregung
des Generators mit permanentem Magneten geschehen, oder es kann z. B. ein für andere
Zwecke mit dem Motor gekuppelter Generator, dessen Spannung konstant gehalten wird,
in zweckentsprechender Weise verwendet werden. Sind
die Blind- und
Wirkwiderstände der an den Hilfsgenerator angeschlossenen Einrichtung stromunabhängig,
so kann die Spannung des Hilfsgenerators bzw. des statt dessen verwendeten anderen
Generators veränderlich sein, wenn ein Relais verwendet wird, das nach Art eines
Kreuzspuleninstrumentes auf den Quotienten von Strom im Resonanzkreis und Spannung
des Generators anspricht. Das Relais ist im übrigen wie die in Fig. i, 3 und 4 dargestellten
Relais ausgebildet. Es schließt oder öffnet einen Kontakt, sobald der erwähnte Quotient
einen bestimmten Wert überschreitet. Da der Quotient selbst spannungsunabhängig
ist, hat eine solche Einrichtung die gleichen Eigenschaften wie eine nach Fig. i
bzw. 3 mit permanent erregtem Generator.
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Statt der in den Figuren gezeigten Serienresonanzkreise können in
entsprechender Weise auch andere Anordnungen aus einer oder mehreren Induktivitäten
und Kapazitäten benutzt werden, sofern bei ihnen ein geeigneter Zusammenhang zwischen
Strom und Frequenz vorhanden ist, was in gewissen Frequenzbereichen bei derartigen
Anordnungen in der Regel der Fall sein wird.
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Die Regeleinrichtung kann auch zur Drehzahlregelung anderer Maschinen
als Gleichstromnebenschlußmotoren benutzt werden. An Stelle des Erregerwiderstandes
bzw. des Relaiskontaktes tritt dann ein anderes zweckentsprechendes Verstellorgan.
In den Beispielen ist der Erfindungsgegenstand im Zusammenhang mit einer einstufigen
sogenannten Auf-Zu-Regelung beschrieben. Er ist hieran jedoch nicht gebunden, sondern
kann auch für mehrstufige Regelung Verwendung finden. In diesem Fall würde z. B.
das Regelrelais 8, 19 bzw. 29 mehrere Kontakte erhalten, die nacheinander öffnen
bzw. schließen. Bei geringerer Abweichung der Drehzahl vom Sollwert würde dann nur
ein Kontakt betätigt werden, der nur einen geringen Verstellimpuls gibt, bei stärkerer
Abweichung würden mehrere Kontakte ansprechen, deren Schaltung so zu treffen wäre,
daß sie einen um so größeren Verstellimpuls für die Drehzahl geben, je mehr diese
vom Sollwert abweicht.