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Wechselstrom-Tachometermaschine
Tachometermaschinen werden vor allem
zur Fernanzeige der Geschwindigkeit und für Regel- und Steuerungszwecke, insbesondere
für Nachlaufsteuerungen, benötigt. Bei diesen bentitzt man die Tachometermaschine
zur Bildung einer als alleinige oder zusätzliche Steuergröße zu verwendenden geschwindigkeitsproportionalen
Spannung. Da derartige Steuerungen in alter Regel mit Wechselstrom betrieben werden,
ist es erwünscht, die geschwindigkeitsproportionale Spannung von vornherein als
Wechselspannung zu erhalten, bei der die Frequenz und die Phase kohärent ist zu
einer vorgegebenen Wechselspannung, im allgemeinen zu der Spannung der die Gesamtsteuerung
speisenden Wechselstromquelle. In Ermangelung geeigneter Wechselstrom-Tachometermaschinen
sind bisher Gleichstrom-Tachometermaschinen gebräuchlich gewesen; sie haben blei
Verwendung in Steuerungen den Nachteil, daß die erzeugte Spannung infolge der Krommutierung
Oberwellen aufweist und daß ierst mit Hilfe einer Zusatzvorrichtung die Gleichspannung
in eine geeignete Wechselspannung umgeformt werden muß.
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Zudem erfordern die Gleichstrom-Tachometermaschinen lein verhältnismäßig
großes Antriebsmoment, das durch die Bürstenreibung und ferner dadurch bedingt ist,
daß die von der Maschine abgegebene Leistung ganz über die Antriebswelle zugeleitet
werden muß.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Wechselstrom-Tachometermaschine,
deren Ausgangsspannung geschwindigkeitsproportional und in der Frequenz und Phase
mit der Erregerwechselspannung kohärent ist und somit unter anderem auch für die
vorerwähnten Steuerungszwecke und für Riegelzwecke
geeignet ist.
Da, wie aus der folgenden Beschreibung noch hervorgehen wird, die Maschine auf d'em
Induktionsprinzip beruht, so wird die von der Maschine abgegebene Leistung im wesentlicheh
dem Netz entnommen; das Antriebsmoment der Maschine bleibt also verhältnismäßig
klein.
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Für die Geschwindigkeitsfernanzeige ist es bekannt, als Geber eine
Induktionsmaschine nach Art eines Einphaseninduktionsmotors, dessen Ständer eine
am Netz liegende Erregerwicklung und eine Hilfswicklung zur Erzeugung und Ableitung
der gesuchten geschwindigkeitsproportionalen Wechselspannung aufweist, und als Empfänger
ein Wattmeter oder leinen Widerstandsmesser bei entsprechender Schaltung des Gebers
und Empfängers zu verwenden.
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Die neue Wechselstrom-Tachometermaschine beruht ebenfalls auf dem
Induktionsprinzip und enthält eine dem Erregerfeld ausgesetzte belastete Induktionswicklung.
Die bevorzugte Ausführung der Erfindung unterscheidet sich von dem Bekannten dadurch,
daß die Erregerwicklung eine über das eine Diagonalpunktpaar gespeiste Brückenschaltung
ist und diese zugleich zur Ableitung der gesuchten ges chwindigkeitsproportionalen
Ansgangswechselspannung (über das zweite Diagonalpunktpaar) dient. Diese Ausführungsform
der Erfindung ist wicklungsmäßig einfacher als die Maschine nach der bekannten Schaltung,
bei der neben der eigentlichen Erregerwicklung noch eine gesonderte Hilfswicklung
vorgesehen ist, während bei jener eine solche Hilfswicklung nicht notwendig ist,
die Erregerwicklung vielmehr zugleich auch zur Ableitung der gesuchten geschwindigkeitsproportionalen
Spannung dient. Dadurch wird auch der zur Verfügung stehende Gesamtwickelraum besser
ausgenutzt, als wenn für jeden Zweck (Erregung der Maschine und Ableitung der gesuchten
Spannung) je eine gesonderte Wicklung benutzt wird; aus der besseren Ausnutzung
des Wickelraumes folgt wiederum eine höhere Ausgangsleistung.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung beruht wie die erste auf
dem Induktionsprinzip und stimmt ferner mit ihr darin überein, daß sie nach Art
der bekannten Wechselstrominduktionsgeber bzw. Wechselstrominduktionsempfänger aufgebaut
werden kann.
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Die Zeichnung veranschaulicht in Fig. 1 und 2 je ein Ausführungsbeispiel
für die eine bzw. die andere der beiden vorerwähnten Ausführungen der ET-findung.
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Bei der Ausführung nach Fig. 1 ist der besseren Übersicht wegen angienommen,
daß die Bewegung, deren Geschwindigkeit erfaßt werden soll, über ein Handrad 1 und
eine Welle 2 in die eigentliche Wechselstrom-Tachometermaschine eingeführt wird.
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Diese ist aus zwei Untereinheiten je nach Art eines motorartigen Gebers
bzw. Empfängers aufgebaut; die zugehörigen Läufer sind mechanisch miteinander verbunden.
Der Läufer der ersten Untereinheit ist mit der Welle 2 verbunden und trägt die Erregerwicklung
3, die aus der Wechselstromquelle 4 gespeist wird, und ferner (entsprechend den
dem Aufbau der Maschine zugrunde liegenden Wechselstrominduktionsgebern und -empfängern)
eine senkrecht zu der Erregerwicklung angeordnete Kurzschlußwicklung 5. Der zugehörige
Ständer der ersten Untereinheit weist eine dreiphasige Wicklung 6, die Induktionswicklung,
auf. Die Vertei;lung der Wicklungen kann umgekehrt werden, d. h. es kann die Induktionswicklung
6 auf dem Läufer und die Erregerwicklung 3 nebst der Kurzschlußwicklung 5 auf dem
Ständer untergebracht werden. Eine derartige Wicklungsverteilung hätte noch den
Vorteil, daß Schleifringe ganz in Fortfall kämen. Der Läufer der zweiten Untereinheit
trägt eine dreiphasige Wicklung 7, die über die Leitungen 8, 9 und 10 an die Wicklung
6 angeschlossen ist und somit deren Belastung und zugleich auch die Erregerwicklung
der zweiten Untereinheit bildet. fler Ständer der zweiten Untereinheit enthält eine
symmetrisch verteilte Vierphasenwicklung 11 oder auch nur eine Zweiphasenwicklung.
Von den Brückenpunkten 12 und 13 dieser Wicklung 11, der Induktionswicklung der
zweiten Untereinheit, wird über die Leitungen 14 und 15 und die Klemmen 16 und 17
die gesuchte geschwindigkeitsproportionale Wechselspannung abgenommen.
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Die beiden Läufer der beiden Untereinheiten sind, wie schon erwähnt,
miteinander mechanisch verbunden, und zwar durch die Welle 18. Die beiden Läufer
sind in einer solchen gegenseitigen Lage miteinander verbunden, daß bei ruhenden
Läufern an den Brückenpunkten 12 und 13 die Spannung Null herrscht.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Das mit Hilfe der Erregerwicklung
3 erzeugte Feld induziert die Wicklung 6, die ihrerseits die Wicklung 7 speist;
diese Wicklung erzeugt wiederum ein Feld, das bei stillstehenden Läufern die Symmetrielage
bezüglich der Wicklung Ii einnimmt, so daß an den Brückenpunkten 12 und 13 die Spannung
Null herrscht. Wird der Läufer der ersten Untereinheit gedreht, so würde, wenn man
die Wicklung 7 als stillstehend annimmt, eine der Auslenkung des Läufers der ersten
Untereinheit entsprechende Auslenkung des von der Wicklung 7 erzeugten Feldes eintreten.
Infolge der mechanischen Verbindung der beiden Läufer 3 und 7 nimmt aber die Wicklung
7 an den Auslenkungen des ersten Läufers der Untereinheit teil, womit das von der
-Wicklung 7 erzeugte Feld entsprechend der Auslenkung der Läufer zurückgedreht wird,
so daß also die Lage des von der Wicklung 7 erzeugten Feldes von der Winkelauslen-4g
der Läúber unabhängig ist. Wohl aber erfährt das von der Wicklung 7 erzeugte Feld
eine der Geschwindigkeit der Läufer proportionale Verschiebung, d.h. Drehung. Diese
Felddrehung führt dazu, daß an den Brückenpunkten 12 und 13 eine geschwindigkeitsproportionale,
in der Frequenz und Phase mit der Erregerwechsielspannung kohärente Wechselspannung
entsteht. Diese Wechselspannung gibt in ihrer Phase zugleich auch einen Anhalt für
die Drehrichtung, da bei einer Änderung der Drehrichtung ein Phasensprung von 180°
eintritt.
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Die beiden Untereinheiten werden vorzugsweise in ein gemeinsames
Gehäuse leingebaut. Bringt man
hierbei, wie schon loben angedeutet,
die Induktionswicklung 6 des ersten Teiles und die Erregerwicklung 7 des zweiten
Teiles je auf dem zugehörigen Läufer unter, so fallen die Schleifringe fort.
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Die Ausführung nach Fig. 2 löst die Aufgabe mit einem Aufwand, der
im wesentlichen nur dem einer einzigen Untereinheit der Ausführung nach Fig. 1 entspricht.
Durch das Handrad 19 wird wieder die Einführung der Drehbewegung, deren Geschwindigkeit
erfaßt werden soll, angedeutet; es ist über die Welle 20 mit diem Läufer verbunden,
der eine dreiphasige Wicklung 21 trägt. Die drei Läuferwicklungsphasen sind über
die Leitungen 22 mit drei gleichen Widerständen 23 belastet. Diese Belastung kann
auch induktiv oder kapazitiv sein.
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Der zugehörige Ständer trägt feine symmetrisch verteilte Wicklung
24, die als Vierphasenwicklung oder mit anderen Worten als Brückenschaltung ausgebildet
ist. Die Wicklung 24 wird über das eine Diagonalpunktpaar 25 und 26 aus der Wechselstromquelle
27 gespeist und bildet die Erregerwicklung der Maschine. Zwgleieh dient die Wicklung
24 aber auch zur Ableitung der gesuchten geschwindigkeitsproportionalen Ausgangswechselspannung,
und zwar wird diese über das zweite Diagonalpunktpaar 28 und 29, die Leitungen 30
und 31 und die Klemmen 32 und 33 abgenommen.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Bei Stillstand des Läufers nimmt
das Maschinenfeld die in Fig. 2 voll ausgezeichnete Symmetrielage bezüglich der
Wicklung 24 ein, so daß an dem Diagonalpunktpaar 28 und 29 keine Spannung auftritt.
Wird der Läufer gedreht, so hat die Winkelauslenkung des Läufers an sich keine Verschiebung
des Maschinenfeldes zur Folge. Wohl aber tritt leine Feldverschiebung, d. h.
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Felddrehung auf, deren Winkel α von der Geschwindigkeit des
Läufers abhängig ist. Dadurch tritt an dem Diagonalpunktpaar 28 und 29 der Brückenschaltung
24 leime geschwindigkeitsproportionale, in der Frequenz und Phase mit der Erregerwechselspannung
kohärente Ausgangswechselspannung auf.
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Bei einer Umkehr der Drehrichtung ergibt sich, wie bei der Ausführung
nach Fig. I, ein Phasensprung von 180°.
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Die gesonderte Belastung 23 neben der leigentlichten Induktionswicklung
21 kann dadurch vermieden werden, daß die Induktionswicklung als Kurzschlußwicklung
ausgebildet wird, z. B. durch Ausbildung des Läufers als Käfigläufer.
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Es gibt Anwendungsfälle der Tachometermaschine, in denen, wie z.
B. bei Steuerungen an bestimmten Kreiselgeräten, der Drehbereich auf 180° oder weniger
beschränkt ist. In solchen Fällen kann gemäß weiterer Erfindung durch unsymmetrischen
Aufbau der Belastung 23 erreicht werden, daß die an dem Diagonalpunktpaar 28, 29
auftretende Spannung sowohl lein Maß für die Winkelauslenkung des Läufers als auch
für die Geschwindigkeit der Läuferbewegung, bei den vorerwähnten Kreiselsteuerungen
also z. B. ein Maß für den Präzessionswinkel und die Präzessionsgeschwindigkeit,
gibt. Das hat den Vorteil, daß mit ein und derselben Vorrichtung in einem Vorgang
beide Steuergrößen, die Winkelauslenkung und die Winkelgeschwindigkeit, erfaßt werden.