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Einrichtung zur Betätigung von Meß-, Steuer- oder Regelgeräten in
Abhängigkeit von der inneren EMK eines in einem elektrischen Stromkreis geschalteten
Apparates
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Drehzahl eines Gleichstromnebenschlußmotors
konstant zu halten, und zwar dadurch, daß in den Steuerstromkreis eines die Drehzahl
des Motors beeinflussenden Reglers eine Regelgröße eingeführt wird, welche selbsttätig
von der Drehzahl des Motors abhängig ist. Dlie Erfindung kann darüber hinaus auch
noch für andere Regeiprobleme Anwendung finden, bei denen es sich darum handelt,
eine Regelgröße, die von der Drehzahl eines Gleichstrommotors abhängig ist, in einen
Steuerstromkreis einzuführen. Erwähnt sei das Problem der Gleichlaufsteuerung eines
Mehrmotorenantriebes, bei dem die zu dem Antrieb gehörenden Arbeitsmaschinen je
durch einen besonderen Gleichstrommotor angetrieben werden und selbsttätig wirkende
Regeleinrichtungen vorgesehen sind, die die Drehzahl der einzelnen Motoren mit der
Drehzahl eines beitmotors vergleichen.
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Bei bekannten Steuerungsanordnungen, denen die vorstehende Regelaufgabe
zugrunde liegt, wird vielfach mit dem zu regelnden Gleichstrommotor ein Tachometerdynamo,
gekuppelt, welcher an seinen Klemmen eine Gleichspannung abgibt, die der Drehzahl
des Motors verhältnisgleich ist, Derartige Steuerdynamos sind bei Antriebsanordnungen
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fach unerwünscht und bereiten Schwierigkeiten, wenn es sich
darum handelt, bei einem bereits bestehenden Antrieb eine selbsttätige Regeleinrichtung
einzubauen. Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten mit Hilfe einer Regeleinrichtung,
die ohne einen mechanisch mit dem Motor gekuppelten Steuerdynamo auskommt.
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Gemäß der Erfindung ist an. die äußere Spannung des Apparates, dessen
innere EMK gemessen werden soll, ein Spannnungsteiler angeschlossen, und in Reihe
mit dem Apparat ist ein Widerstand geschaltet, dessen Verhältnis zwischen Wirkkomponente
und Blindkomponente das gleiche ist wie bei dem inneren Widerstand Ides Apparates,
und ferner setzt sich die Betätigungsspannung aus der Spannung des Reihenwiderstandes
und einem Teil der äußeren Spannung des Apparates derart zusammen, daß für den Abgriffpunkt
an dem Spannungsteiler die beiderseits des Abgriffpunktes liegenden Teilwiderstände
des Spannungsteilers sich zueinander verhalten wie der mit dem Apparat in Reihe
geschaltete Widerstand zu dem inneren Widerstand dieses Apparates. Bei dem Beispiel
der Regelung in Abliängigkeit von der Drehzahl eines Gleichstrommotors bzw. der
inneren EMK dieses Motors dient somit nach der Erfindung als Regelgröße ein Teil
der Ankerspannung des Gleichstrommotors in Reihe mit einer weiteren Spannung, die
an einem im Ankerkreis des Motors liegenden, d. h. mit dem Motor in Reihe geschalteten
Widerstand abgegriffen wird. Bei der vorstehend gekennzeichneten Bemessung dieser
Teilspannungen gelingt es, eine Regelgröße zu gewinnen die stets der induzierten
Spannung des Motors verhältnisgleich ist und daher ein Maß für die Drehzahl des
Motors bietet. Die Erfindung hat den Vorteil, daß mit außerordentlich einfachen
Mitteln bei einem solchen Gleichstrommotor oder auch bei anderen elektrischen Apparaten,
die in einen elektrischen Stromkreis geschaltet ist, die innere EMK des betreffenden
Apparates gemessen werden kann.
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Von der Erfindung zu unterscheiden sind Meßanordnungen, bei denen
die gestellte Aufgabe in einer Fernmessung liegt. Diese Anordnungen. gehen davon
aus, daß die zwischen den Klemmen irgendeines elektrischen Apparates an sich mit
Hilfe eines Voltmeter meßbare elektrische Spannung der Messung deswegen nicht unmittelbar
zugänglich ist, weil wegen einer zwischen die Meßstelle und den Apparat geschalteten
örtlichen Entfernung das Voltmeter nicht an den Apparat angelegt werden kann.
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Bei den Meßanordnungen dieser Art liegt somit die Schwierigkeit nicht
darin, daß wie bei der Erfindung die zu messende innere EMK der Messung an sich
nicht zugänglich ist, vielmehr liegen bei den Fernmeßanordnungen die Schwierigkeiten
in der räumlichen Entfernung zwischen der Meßstelle und dem Apparat, an dessen Klemmen
die Spannung gemessen werden soll. Dementsprechend unterscheiden sich auch die bekannten
Fernmeßanordnungen ron der Erfindung. Eine solche bekannte Fernmeßanordnung besteht
darin, daß an die Klemmen einesGleichstromgenerators, der über eine längere Doppelleitung
mit der zu messenden Spannung verbunden ist, ein Querwiderstand geschaltet ist und
daß das Voltmeter einerseits an einen Anzapfpunkt dieses Querwiderstandes und andererseits
an das Ende eines Reihenwiderstandes angeschlossen ist, der zwischen das eine Ende
des Querwiderstandes und eine der beiden zu der zu messenden spannungführenden Leitungen
geschaltet ist.
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Diese bekannte Meßschaltung hat die Eigenschaft, daß das Meßinstrument
je nach der Größe der Spannung dieses Generators verschiedene Werte anzeigt. Im
Gegensatz dazu ist es bei der Anordnung nach der Erfindung vollkommen gleichgültig,
wie groß der Strom ist, der den elektrischen. Apparat, dessen innere EMK gemessen
werden soll, durchfließt bzw. wie groß die Spannung ist, die an die Meßschaltung
angelegt wird. Bei der Meßschaltung nach der Erfindung wird stets nur die innere
EMK des elektrischen Apparates gemessen, unabhängig davon, welche Strom- und Spannungswerte
im äußeren Stromkreis vorhanden sind.
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Eine andere bekannte Meßanordnung, der ebenfalls im Gegensatz zu
der Erfindung die Aufgabe der Fernmessung zugrunde liegt, besteht darin, daß im
Sekundärkreis eines Spannungswandlers ein in der Sekundärwicklung eines Stromwandlers
angeordneter Abzweigwiderstand von solcher Größe liegt, daß ein dem Betriebsstrom
proportionaler Strom darin ein Spannungsgefälle hervorruft, welches dem Spannungsabfall
in dem Leitungsabschnitt proportional ist, der zwischen der Meßstelle und der zu
messenden Stelle liegt. Auch hier sind die Unterschiede in der Meßschaltung durch
die andersartige Aufgabe gegenüber der Erfindung bedingt.
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Soweit bei bekannten Meßanordnungen die gleiche Aufgabe, nämlich
die Messung der inneren EMK eines elektrischen Apparates, gestellt ist, bestehen
ebenfalls vesentliche Unterschiede zwischen den bekannten, Anordnungen und der Erfindung.
Eine solche bekannte Anordnung verwendet beispielsweise ein Differentialrelais,
d. h. ein Relais mit zwei getrennten Erregerspulen. Die eine Spule hängt an der
Spannung des Apparates, dessen innere EMK gemessen werden soll, beispielsweise an
der Spannung einer Batterie, die andere Spule liegt an einem Widerstand, der zwischen
die Batterie und die speisende Stromquelle geschaltet ist.
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Bei dieser bekannten Meßanordnung wird somit durch ein Differenzrelais
von der Gesamtspannung des zu messenden Apparates ein Spannungsanteil abgezogen,
der von dem Strom abhängig ist und an einem Vorwiderstand abgegriffen wird. Abgesehen
von den Unterschieden hinsichtlich der Meßschaltung und der bei dieser Schaltung
zu verwendenden Widerstände hat diese bekannte Meßanordnung gegenüber der Erfindung
den Nachteil, daß ein Relais erforderlich ist, welches zwei Spulen (eine Stromspule
und eine Spannungsspule) besitzt. Die Erfindung verwendet demgegenüber eine besondere
Widerstandsanordnung, bei der der gesuchte innere Spannungsabfall des elelhtrischen
Apparates durch eine einzige Spannungsmessung
ermittelt wird. Diese
Spannungsmessung liefert unmittelbar die gesuchte innere EMK des elektrischen Apparates.
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Die Erfindung sei an Hand des sin der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in ihrer Wirkungsweise näher erläutert. In Fig. 1 bedeutet 1 einen Gleichstromnebenschlußmotor,
welcher aus einer beliebigen Gleichstromquelle 2 gespeist wird.
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Diese Gleichstromquelle kann beispielsweise ein Quecksilberdampfgleichrichter
sein, über den die für den Gleichstrommotor erforderliche Energie aus einem Wechselstromnetz
entnommen wlilrd. Die Feldwicklung 3 des Gleichstrommotors I ist an eine Gleichstromquelle
4 angeschlossen, die beispielsweise mit der den Ankerkreis des Motors speisenden
Stromquelle 2 identisch sein kann. Es soll angenommen werden, daß die von den beiden
Stromquellen 2 und 4 gelieferten Gleichspannungen nicht genau konstant, sondern
Schwankungen unterworfen sind.
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Auf die Energiequelle s, d.h. auf die dem Anker des Motors I zugeführte
Spannung, wirkt ein Regler 5, dem noch ein Verstärker 6 vorgeschaltet sein kann.
Die Art des Reglers 5 ist für die Erfindung unwesentlich. Unter der Voraussetzung,
daß der Motor I über einen Gleichrichter aus einem Wechselstromnetz gespeist wird,
kann der Gleichrichter mit Gittersteuerung ausgerüstet werden, und als Regler 5
dient eine der bekannten, den Zündzeitpunkt eines Lichtbogengleichrichters bestimmenden
Regeleinrichtungen. Als Beispiel seli eine Regeleinrichtung genannt, bei der im
Gitterkreis des Gleichnichters ein Transformator mit gesättigtem Eisenkreis liegt
und zum Zwecke der Regelung der Gleichstrom in einer Vormagnetisierungswicklung
dieses Transformators geändert wird. Dieser veränderliche Gleichstrom kann dem in
Fig. I mit 6 beieichneten Verstärker entnommen werden.
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In den Ankerkreis des Gleichstrommotors I und parallel zu der Energiequelle
2 sind mehrereWiderstände geschaltet, welche für die Erfindung wesentlich sind und
dazu dienen, die der Drehzahl des Motors 1 verhältnisgleiche Steuerspannung dem
Verstärker 6 zuzuführen. Parallel zu der Stromquelle 2 liegen zunächst die beiden
Widerstände R1 und R2. Außerdem liegen in Reihe mit dem Anker des Motors I diie
Widerstände R5 und Rt. Der Widerstand Ri ist als fiktiver Widerstand anzusehen.
Es soll durch ihn der innere Widerstand im Ankerkreis des Motors 1 angedeutet sein.
In Wirklichkeit liegt bei der Regelanordnung demnach zwischen der Gleichstromquelle2
und dem Anker des Motors I nur der Zusatzwiderstand R5. Die für die Regelung maßgebende
Spannung wird einerseits zwischen den beiden Widerständen Rj und R2 und andererselits
zwischen den Widerständen R5 und Ri abgenommen. Der letztgenannte Anzapfpunkt liegt
somit zwischen dem Widerstand R5 und dem Anker der Gleichstrommaschine r. Die in
vorstehender Form abgenommene Regelspannung ist in Fig. I mit U' bezeichnet In Fig.
I sind außerdem noch die beiden Spannungen U und E angegeben, wobei E die induzierte
Spannung des Gleichstrommotors I bedeutet, während U die der Gleichstromquelle 2
entnommene Spannung ist.
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Aus der in Fig. I gezeichneten Schaltung geht hervor, daß die Regelgröße,
also die Spannung U', zwei Teilspannungen enthält. Die erste Teilspannung entspricht
einem Teil der Ankerspannung; denn die am Widerstand R1 abfallende Spannung ist
ein Teil der dem Ankerkreis zugeführten Gesamtspannung U, die an den beiden Widerständen
Rl und R2 liegt. Die zweite Teilspannung ist die Spannung des Widerstandes R5, mithin
die Spannung eines im Ankerkreis liegenden Widerstandes.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe der Gewinnung einer Spannung,
die der induzierten Spannung E des Motors I verhältnisgleich ist, wird erfüllt,
wenn für die in Fig. I angegebenen Widerstände R1, R2, R5 und R1 folgende Bedingung
erfüllt ist: Rl ~ Rs R2 Ri Unter dieser Voraussetzung ist die an den beiden Widerständen
R1 und R5 abzugreifende Spannung U' stets der induzierten Spannung Es des Motors
I und daher der Drehzahl dieses Motors verhältnisgleich.
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Die vorstehende Beziehung zwischen U' und der Drehzahl des Motors
1 gilt genau nur unter der Voraussetzung, daß das Erregerfeld des Motors I konstant
ist, daß also die die Erregerwicklung 3 speisende Spannung 4 konstant ist. Wenn
diese Voraussetzung nicht genau erfüllt ist, ist es zweckmäßig, in den Regelstromkreis,
also in den Eingangskreis des Verstärkers 6 in Fig. I, noch eine Zusatzspannung
einzuführen, die von detn Strom der Erregerwicklung 3 abhängig ist. Diese Zusatzspannung
wird erfindungsgemäß so bemessen, daß sie sich aus einer konstanten Gleichspannung
und der Spannung eines im FeIdkreis des Motors liegenden Widerstandes zusammensetzt.
In der Schaltung der Fig. I ist diese Zusatzspannung als Vergleichsspannung in den
Eingangskreis des Ve!rstärkeres 6 eingeführt. Sie wird an einem Widerstand 7 abgenommen,
zu dem eine konstante Gleichstromquelle 8, beispielsweise eine Akkumulatorenbatterie,
und ein weiterer Widerstand 9 parallel geschaltet sind. Der Widerstand g liegt in
Reihe mit der Feldwicklung 3 des Motors I an der Stromquelle 4, deren Spannung gleich
Us ist. Infolge der Parallelschaltung des Widerstandes 9 und der Gleichstromquelle
8 zu dem Widerstand 7 ist somit die an dem Widerstand 7 abgegriffene Spannung aus
einer konstanten Spannung und einer mit dem Erregerstrom des Motors I veränderlichen
Spannung zusammengesetzt Für die Wirkungsweise der in den Eingangskreis des Verstärkers
6 geschalteten Spannung U' und Teilspannung des Widerstandes 7 ist davon ausgegangen,
daß sich das Feld Çs des Motors I in Abhängigkeit von dem Strom it der Erregerwlicklung3
nach der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie
ändert. Im Bereich des
Betriebspunktes P auf deine ser Kennlinie kann der Fluß f aus einem konstanzen Anteil
b und einem geradlinig veränderlichen Anteil 1 zusammengesetzt gedacht werden.
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Dieser letztgenannte Anteil ändert sich verhältnisglelich mit dem
Feldstrom if und somit auch mit der die Feldwicklung 3 speisenden Spannung Uf. Die
Erfindung beruht nun darauf, daß die beiden Anteile der am Widerstand 7 in Fig.
1 liegenden Spannung den beiden Flußanteilena und b im Diagramm der Fig. 2 verhältnisgleich
sind. Für die Spannung Uk der Gleichstromquelle 8 und die Spannung Ux des Widerstandes
9 muß folgende Beziehung erfüllt sein: Uk a - b Unter dieser Voraussetzung werden
die Schwankungen der die Feldwicklung 3 speisen den Spannung Uf in ihrem Einfluß
auf die Drehzahl des Motors I bzw. die dieser Drehzahl verhältnisgleiche Spannung
U' ausgeglichen. Diese Zusatzeinrichtung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn
die Spannung 4 der Feldwicklung 3 ebenso wie die Ankerspannung des Motors I der
gleichen Gleichstromquelle 2, beispielsweise einem gittergesteuerten Gleichrichter,
entnommen wird.
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Bei der Schaltung nach Fig. I bzw. der oben angegehenen Bemessung
des im Ankerkreis des Motors I liegenden Widerstandes Rt ist angenommen, daß der
innere Widerstand Rt des Motors I von äußeren Einflüssen, vor allen Dingen von der
Temperatur des Motors, unabhängig ist. Falls diese Be dingung nicht erfüllt ist,
der Widerstand Rt sich also ändern kann, muß auch der Widerstand Rs so gewählt sein,
daß das Verhältnis des Widerstandes R5 zu dem Widerstand Rt dauernd konstant bleibt.
Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Widerstand Ru aus solchem Material hergestellt
wird, welches sich abhängig von der Temperatur genau so ändert wie der Widerstand
Ri des Motors I, und daß beide Widerstände etwa der gleichen Temperatur ausgesetzt
sind.
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Obwohl die Erfindung für die selbsttätige Regelung der Drehzahl eines
Gleichstromne;benschlußmotors von besonderer Bedeutung ist, kann sie auch noch zur
Lösung anderer Aufgaben angewendet werden. So kann beispielsvei,se die Aufgabe gegeben
sein, den inneren Spannungsabfall irgendeines Verbrauchers zu messen, der an eine
Spannung a,ngeschlossen ist, oder eines Generators. An die Stelle des Motors I kann
beispielsweise eine Drosselspule, ein Transformator oder eine Akkumulatorenbatterie
treten. Wenn man den inneren Widerstand Rt dieser Verbraucher kennt, so kann auf
dem oben geschilderten Wege mit Hilfe der Widerstände Rt, R2 und R5 stets eine Spannung
U' gewonnen werden, die der inneren Spannung des betreffenden Verbrauchers verhältnisgleich
ist.
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Für die Erfindung ist es dabei gleichgültig, ob die Spannung U eine
Wechselspannung oder eine Gleichspannung ist. Ist U eine Wechselspannung, so liegen
U' und die innere Spannung E in Phase.
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Wesentlich ist nur, daß der Widerstand Rs dem Widerstand Ri stets
angepaßt ist, d. h. es muß der Widerstand R5 in dem Verhältnis zwischen Wirk-und
Blindkomponente dem Widerstand Ri stets entsprechen. Die Widerstände Rt und R2 können
in jedem Fall ohmsche Widerstände sein, sie können jedoch auch als Widerstände mit
Blindkomponenten ausgebildet werden. Es kommt nur darauf an, daß die oben angegebene
Beziehung zwischen dem Verhältnis der Widerstände Rl und R2 und dem Verhältnis der
beiden anderen Widerstände Rs und Rt aufrechterhalten wird. In jedem Fall gelingt
es, durch Anwendung des Erfindungsprinzips den inneren Spannungsabfall des an die
Spannung U angeschlossenen Verbrauchers zu messen.
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PATENTANSPRBCHB: 1. Einrichtung zur Betätigung von Meß-, Steuer-
oder Regelgeräten in Abhängigkeit von der inneren EMK eines in einem elektischen
Stromkreis geschalteten Apparates, insbesondere zur Regelung der dem Anker eines
Gleichstromnebenschlußmote)rs zu geführten Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl
des Motors, dadurch gekennzeichnet, daß an die äußere Spannung (U) des Apparates
(I) ein Spannungsteiler (Rt und R2) angeschlossen und in Reihe mit dem Apparat (I)
ein Widerstand (R5) geschaltet ist, dessen Verhältnis zwischen Wirkkomponente und
Blindkomponente das gleiche ist wie bei dem inneren Widerstand (Xi) des Apparates,
und daß die Betätigungsspannung (U') sich aus der Spannung des Reihenwiderstandes
(R5) und einem Teil der äußeren Spannung des Apparates derart zusammensetzt, daß
für den Abgriffpunkt an dem Spannungsteiler die Gleichung R1 : R2 = R5 : Rt erfüllt
ist.