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Einrichtung zur Drehmomentmessung an Wellen Zur Drehmomentmessung
(Leistungsmessung) an Wellen unter Verwendung der Verdrehung einer bestimmten Meßstrecke
auf der Welle ist es bereits bekannt, in der Weise zu verfahren, daß man zwei Polräder
von Synchrongeneratoren auf die Endstellen der Meßstrecke bringt und die Phasenverschiebungen
der sich an beiden Generatoren ergebenden Wechselspannungen mißt. Ein Nachteil dieser
bekannten Anordnung ist z. B. der Umstand, daß die Eichung der Wellen nur während
des Betriebes, also bei umdrehender Welle möglich ist. Eine einwandfreie Messung
der Momente wird dadurch sehr schwierig. Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil
der bekannten Anordnung dadurch, daß an Stelle der Synchrongeneratoren zwei asynchrone
Drehstrommotoren verwendet werden, die im vorliegenden Falle als Drehumformer arbeiten.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Eine Figur zeigt schematisch die Anordnung der Asynchronmotoren auf der zu messenden
Welle und einer ebenfalls auf dieser angeordneten Synchronmaschine.
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In der Figur ist mit r die Welle bezeichnet, deren Leistung gemessen
werden soll. An einer geeigneten Stelle dieser Welle ist der mit 2 bezeichnete
synchrone
Generator für Drehstrom angebracht. An den beiden Querschnitten der Welle, zwischen
denen die Verdrehung zu bestimmen ist, ist je ein Asynchronmotor 3 und q. angeordnet.
Mit Rücksicht auf die geringen, für Meßzwecke erforderlichen Leistungen können die
Maschinen einfachster Bauart vor allen Dingen sehr schmal in Richtung der Welle
ausgebildet sein. Die Synchronmaschine 2 ist mit der doppelten Polzahl der asynchronen
Motoren 3 und q. ausgestattet und speist die Motoren mit einem Drehstrom von der
doppelten Frequenz der Umdrehungszahl der Welle. Dabei sind für die Synchronmaschine
vier und für die Motoren je zwei Pole angenommen.
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In den Motoren entsteht ein Drehfeld, das ebenfalls mit der doppelten
Wellendrehzahl umläuft. Betrachtet man nun das System relativ zur Welle, so kann
man sich die Welle ruhend vorstellen, und das Drehfeld läuft dann mit der einfachen
Umdrehungszahl um. Der Asynchronmotor wirkt somit wie ein Phasenregler, an den ein
Drehstrom von der Frequenz der Umdrehungszahl gelegt wird. Die an den Schleifringen
der beiden Motoren abgegriffenen Spannungen (einphasig) sind gegeneinander um einen
Phasenwinkel 99 verschoben, der dem Verdrehungswinkel zwischen den beiden
Wellenquerschnitten infolge der Belastung entspricht, sofern die beiden Motoren
bei unbelasteter Welle auf Phasengleichheit eingestellt waren. Mit einem Gleichrichter
5 kann aus den beiden Wechselströmen die Phase bestimmt werden, wobei das System
4. gegenüber dem System 3 von vornherein um einen Winkel von 9o° verschoben sein
kann, damit eine besondere Einrichtung zur Drehung der Phase entfällt. Die Einstellung
der Motoren geschieht bei ruhender Welle, wobei ihnen von einer fremden Quelle her
Drehstrom zugeleitet wird. Das Instrument 6 im Gleichrichterkreis darf bei richtiger
Einstellung keinen Ausschlag zeigen.
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Der Gleichrichter gibt bei belasteter Welle nicht nur den Phasenwinkel
an, sondern das Produkt aus dem Winkel und einem Wert, der der angelegten Spannung
verhältnisgleich ist. Die Spannung ist aber, da der asynchrone Motor lediglich als
Transformator wirkt, proportional der von der Synchroninaschine herrührenden Spannung,
und diese ist wiederum proportional der Drehzahl der Welle. Aus dem Verdrehungswinkel
ergibt sich unter Berücksichtigung der Abmessungen der Welle das übertragene Drehmoment.
Multipliziert man das Drehmoment mit der Drehgeschwindigkeit, so ergibt sich die
übertragene Leistung. Der Ausschlag am Meßgerät zeigt somit die Leistung an, zusätzlich
eines konstanten Koeffizienten, der aus mechanischen und elektrischen Daten der
Anordnung errechnet und durch Eichversuche kontrolliert werden kann.
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Eine entsprechende Wirkung in den asynchronen Maschinen kann auch
dadurch erreicht werden, daß man das Feld, das jetzt nicht die doppelte oder eine
vielfache Drehzahl zu haben braucht, in umgekehrter Richtung wie den Läufer umlaufen
läßt. Die Relativdrehzahl zwischen Läufer und Feld wäre, gleiche Polzahl bei Dynamo
und Asynchronmotor vorausgesetzt, jetzt die doppelte.
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Es ist sogar nicht einmal notwendig, eine synchrone Umlaufzahl des
Feldes zu haben, sondern es lassen sich auch von einem festen Drehstromnetz aus
Messungen an umlaufenden Wellen, also ohne Benutzung eines eigens hierzu bestimmten
Generators, vornehmen.
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Ist ein Drehstromnetz konstanter Frequenz und Spannung vorhanden,
so kann bei der Leistungsmessung auf die Synchronmaschine 2 unter Umständen verzichtet
werden. Legt man den Drehstrom an die asynchronen Motoren, so wirken diese jetzt
nicht rein als Transformatoren, sondern die im Läufer induzierte Spannung ist der
Umdrehungszahl des Läufers f1 abzüglich der konstanten Umlaufzahl des Feldes f2
proportional, also E prop. fr-f2.
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An dem im Schwinggleichrichterkreis liegenden Instrument liest man
somit einen Wert prop. (f1 f2) - @p ab. Bringt man gleichzeitig noch einen einfachen
Spannungsmesser an die Klemmen eines Motors, so mißt man (fl-f2). Durch Division
beider Werte erhält man den Verdrehungswinkel der wiederum, multipliziert mit f1,
der Leistung proportional ist. Der Spannungsmesser kann eine Skala für f1 und eine
zweite für fl-f.2 erhalten, so daß die erforderlichen Werte sehr schnell abgelesen
werden können. Für die selbsttätige Ausführung der Rechenoperation muß man den Quotienten
elektrisch bilden und ihn mit dem Stromwert des Gleichrichterkreises multiplizieren.
Die Polzahl der Motoren ist so zu wählen, daß bei den zu erwartenden Drehzahlen
f1 möglichst weit von f2 bleibt.
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Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß es bei dieser Messung
in der Hauptsache darauf ankommt, in den beiden asynchronen Motoren umlaufende Felder
zu erzeugen, die eine Relativgeschwindigkeit zu den Läufern auf der Welle haben.
Der Drehsinn der umlaufenden Welle und der Felder braucht hierbei nicht gleichsinnig
zu sein. Es ist auch nicht notwendig, daß die Felder eine synchrone Drehzahl oder
ein Vielfaches der synchronen Drehzahl haben. Man kann auch von festen Netzen aus
messen.
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An die beiden OOuerschnitte können auch eine Synchronmaschine und
ein Asynchronmotor gleicher Polzahl gebracht werden. Dabei wird der Asynchronmotor
durch den Strom der Synchronmaschine gespeist, der z. B. durch einen Frequenzv erdoppler
in bekannter Weise auf die doppelte Frequenz der Umdrehungszahl der Welle gebracht
wird. Es wird dann die Phase des Stromes der synchronen Maschine mit der Phase des
an den Schleifringen des Asynchronmotors abgegriffenen Stromes gleicher Frequenz
verglichen.
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Die beschriebene Anordnung mit einer Synchronmaschine und zwei asynchronen
Motoren bietet unter anderem den Vorteil einer sehr einfachen Nachprüfbarkeit der
Phasenlage in der Ruhestellung der Welle. Unerwünschte Einflüsse auf die Phasenlage
der Ströme können ausgeglichen werden.
Bei dieser Anordnung kommt
es ferner auf die Phasenstellung der Synchronmaschine überhaupt nicht an. Es ist
lediglich die Forderung zu erfüllen, daß die Frequenz des gelieferten Stromes in
einem bestimmten Verhältnis zur Wellendrehzahl steht. Die synchrone Maschine braucht
nicht unmittelbar auf die Welle aufgesetzt zu werden, sondern sie kann auf einer
eigenen dünnen Welle angebracht sein und in bekannter Weise durch ein Reibrad angetrieben
werden. Auch die Synchronmotoren könnten bei allzu dicken Wellen unter Umständen
auch seitlich durch eine besondere Welle mittels Zahnrad angetrieben werden.
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Die beschriebene Leistungsmeßanordnung mit einer Synchronmaschine
und einem Asynchronmotor an den beiden Meßquerschnitten eignet sich auch zur Messung
von Drehschwingungen besonders gut. Man braucht nur den Frequenzverdoppler auszuschalten
und den Strom des Motors nicht dem Gleichrichter, sondern einem Wechselstrominstrument
zuzuführen.
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Bei Mehrwellenanordnungen kann es von Bedeutung sein, festzustellen,
wie weit die Wellen vom Gleichlauf entfernt sind. Befindet sich auf der einen Welle
die Dynamomaschine, auf der anderen der Asynchronmotor, so wird in diesem ein Strom
induziert, der der Differenz der beiden Umdrehungszahlen verhältnisgleich ist. Es
läßt sich also z. B. bei einem zweiwelligen Schiff folgende Meßanordnung anbringen:
Auf der Welle i befindet sich eine federnd drehbar gelagerte Synchronmaschine und
zwei Asynchronmotoren halber Polzahl zur Leistungsmessung, auf den Wellen i und
2 ist je ein Asynchronmotor mit voller Polzahl angebracht. Der Motor von Welle i
sitzt an einem vorher rechnerisch oder experimentell ermittelten Schwingungsbauch
und zeigt laufend die Ausschläge dieser besonders charakteristischen Stelle an.
Der Motor auf Wellet dient zur Schlupfmessung. Es könnten auf diese Weise folgende
Größen erfaßt werden: Drehzahl der Welle i (Spannung der Synchronmaschine), Schlupf
der Welle 2, Leistung der Welle i (Anzeige- und Schreibgerät), Schwingausschläge
an Welle i, evtl. auch noch abgeleitete Größen mit Hilfe von Leistungszählern und
Wirkungsgradanzeigern.