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Anordnung zur Regelung von Betriebsgrößen unter Verwendung eines Gleichstromstellmotors
Kontaktrelais nach ,dem einfachem Schema der Fig. i werden seit Jahren für die Spannungsregelung
kleiner Gleichstromgeneratoren, vor allem bei Fahrzeugen, verwendet. Die Wirkungsweise
der Schaltung ist hierbei grundsätzlich immer die folgende: Bei geöffnetem Kontakt
ist der Erregerwicklung des Generators ein Widerstand vorgeschaltet, entsprechend
stellt sich eine tiefe Spannung ein; bei geschlossenem Kontakt ist der Widerstand
kurzgeschlossen, ,die Spannung steigt auf -einen hohen Wert an. Bei richtigem Arbeiten
der Spannungsregelung schließt und öffnet nun das Relais, gesteuert von der damit
etwas schwankenden Generatorspannung, dauernd -den Kontakt so, daß im Mittel ein
bestimmter Widerstand wirksam wird, bei dem sich gerade die richtige Spannung einstellt.
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Auch zur Drehzahlsteuerung kleiner Gleichstrommotoren ist das Kontaktrelais
schon verwendet worden. In den Ankerkreis des. Motors wird in diesem Fall ebenfalls
ein Widerstand gelegt, der durch den Relaiskontakt periodisch. kurzgeschlossen wird.
Bei einem bestimmten Verhältnis von Einschalt- zu Gesamtzeit einer Periode - in
Zukunft einfach »Schaltverhältnis« genannt -wird im Mittel ein ganz bestimmte- Widerstand
im Ankerkreis wirksam, und damit stellt sich eine ganz bestimmte Drehzahl ein. Änderung
des
Schaltverhältnisses bedeutet damit Änderung des wirksamen Widerstandes
und dementsprechend der Drehzahl des Motors.
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Im Prinzip arbeitet bei diesen Schaltungen das Relais so, daß es.
einen Strom oder eine Spannung oder allgemein eine Gleichstromgröße G der Größe
nach ändert, je nach dein Schaltverhältnis y entsprechend Fig. 2. Ist das Schaltverhältnis
y = o, d. h. ist der Kontakt dauernd geöffnet, so stellt sich der Mindestwert G.in,
ist y = i, d'. h. ist der Kontakt ganz geschlossen, der Höchstwert G.Rx ein.
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Ferner ist eine Anordnung zur Regelung der Spannung eines Gleichstromgenerators
bekannt. Die Erregerwicklung des Generators wird von einer besonderen Erregermascibine
gespeist, und deren Feldwicklung wiederum liegt irr' Diagona:lzweig einer Brückenschaltung,
die aus ohmschen Widerständen besteht. An dem anderen Diagonalzweig liegt die Spannung
des zu regelnden Generators sowie ein Hilfsrelais, das bei Erreichen der Nennspannung
anspricht und zwei Arbeitskontakte öffnet. Jeder dieser Arbeitskontakte überbrückt
einen von zwei sich in der Brückenschaltung gegenüberliegenden Widerständen. Beim
Ansprechen des Relais werden die Brückenwiderstände zur Wirkung gebracht und dadurch
wird die Stromrichtung in der. Erregerwicklung gegenüber dem Stromfluß bei geschlossenen
Kontakten umgekehrt. Die Spannung der Erregermaschine fällt dadurch sehr plötzlich
ab, so@ daß die- Spannung des Hauptgenerators unter seine Nennspannung absinkt.
Das Relais schließt damaufhin seine Kontakte wieder und verändert sprunghaft den
Widerstand der Brückenschaltung sowie den Stromfluß in der Erregerwicklung des Hilfsgenerators.
Das Verhältnis von Öffnungs- zu, Schließungszeit der Kontakte wird sieh bei veränderlicher
Drehzahl so einstellen, daß jeweils die Spannung des Hauptgenerators konstant gehalten
wird.
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Bei der Erfindung handelt es sich jedoch um eine Anordnung zur Regelung
von Betriebsgrößen unter Verwendung eines Gleichstromstellmotors, der taktmäßig
aufeinanderfo:lgende Impulse von wechselnder Polarität erhält. Zur Steuerung der
Impulse ist ein Kontaktrelais vorgesehen, das nur einen Arbeits- oder Ruhekontakt
beisitzt und dessen Schaltverhältnis vom Istwert der zu regelnden Größe abhängt.
Abhängig vorm SChaItverhältnis wird die dem Stellmotor im Mittel zugeführte Spannung
nach Größe und Richtung verändert. Das Kontaktrelais arbeitet mit einer durch Fremd-oder
Selbststeuerung erzielten Impulsfrequenz ständig, und zwar auch dann, wenn der Istwert
mit dem Sollwert übereinstimmt. Während also bei der bekannten Einrichtung das Schaltrelais
zumindest theoretisch aufhört zu arbeiten, wenn Ist-und Sollwert übereinstimmen,
so arbeitet im Gegensatz dazu das Kontaktrelais gemäß der Erfindung auch in diesem
Falle mit einer endlichen Impulsfrequenz, so daß ein fehlerhafter Zustand sofort
erkennbar wird und abgestellt werden kann. Außerdem wird der Regelbereich wesentlich
erweitert.
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Abhängig vom Schaltverhältnis wird nicht nur die Höhe, sondern auch
die Richtung einer elektrischen Größe verändert, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die
Fig. 4 dient zur Erläuterung .des Regelprinzips " und die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele.
Bei dem Ausführungsbeispiel Fig.4 bezeichnet i das Kontaktrelais, 2 seinen Kontakt,
R einen ohmschen Widerstand und! Tl einem. Verbraucher, dessen Widerstandswert mit
R" bezeichnet sei.
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Ist bei dieser Schaltung der Kontakt dauernd geschlossen, . also das
Schaltverhältnis y = i, so stellt sich am Verbraucher V, der As reiner Ohmwiderstand
eingezeichnet ist, die Spannung Uv,=Uo, ist er geöffnet, das Schaltverhältnis arlso
y = o, die Spannung
ein, wenn R" den Widerstand des Verbrauchers darstellt. Wählt man nun den Ohmwert
des Widerstandes R so, daß
wird, so ergibt sich U" 2 = - Uo.
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Abhängig vom steilalt sich daher jetzt eine Spannung am Verbraucher
entsprechend Fig. 3 ein. Die Spannung ändert sich von einem negativen auf einen
gleich großen positiven Maximalwert. Bei einem- Schaltverhältnis y = o,5 wird sie
Null.
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Schaltet man an Stelle des ohmschen Widerstandes V einen Gleichstrommotor
und wählt die Spannungsverhältrnisse a und den Widerstand R der Belastung des Motors
entsprechend, so ergibt sich für die Drehzahl abhängig vom Schaltverhältnis ebenfalls
der in Fig. 3 aufgezeichnete Verlauf.
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Man hat zur Erreichung des gleichen Zweckes - Steuerung der Drehzahl
eines Motors nach Größe und Richtung abhängig von einer Regelgröße - auch schon
Kontaktrelais. mit Umschaltkontakten verwendet. Während aber bei der Anordnung nach
der vorliegenden Erfindung theoretisch überhaupt kein Kontaktweg erforderlich ist,
wenn der Motor umgesteuert werden soll, muß bei der bisherigen Anordnung mit Umschaltkontakten
bei einer Umsteuerung des Motors der Zwischenkontakt den Weg zwischen den beiden
Außenkontakten zurücklegen. Dieser kann aber nicht beliebig klein gewählt werden,
da sonst besonders bei Vorhandensein eines Schaltlichtbogens die Gefahr einer leitenden
Verbindung zwischen den Außenkontakten auftreten würde. Dementsprechend läßt sich
bei der Anordnung gemäß der Erfindung eine wesentlich größere Ansprechempfindlichkeit
und damit Regelgenauigkeit erzielen. Außerdemkönnen bei der neuen Anordnung die
Vi'brationswege des Kontaktes wesentlich kleiner, gewählt
werden,
was natürlich eine entsprechend geringere mechanische Beanspruchung des Relais bedeutet.
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Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. q., und
zwar handelt es sich darum, die Drehzahl eines Gleichstrommotors io konstant zu
halten. Zur Speisung des Motors io dient ein Gleichstromgenerator i i, der von einer
Kraftmaschine 12 angetrieben wird. Der Generator ii wird aus einem Netz 13 fremd
erregt und zur Regelung seiner Erregung dient ein Regler 1.4, der von einem konstant
erregten Gleichstromhilfsmotor 15 verstellt werden kann. 16 ist das Kontaktrelais.
Es wird von einer mit dem Motor io gekuppelten Gleichstromtachometermaschine 17
erregt. Im Relaisstromkreis liegt ein Transformator 18, durch den eine im Verhältnis
zur Gleichspannung kleine Wechselspannung eingeführt wird. Durch diese überlagerte
Wechselspannung wird die erforderliche Vibration des Relaiskontaktes hervorgerufen.
Die Vibration kann aber auch auf andere Weise, z. B. durch Selbststeuerung des Relais
nach Art eines Wagnerschen Hammers, erfolgen. Zu diesem Zweck kann das Relais beispielsweise
noch eine zweite Wicklung erhalten, die parallel zu einem Widerstand i9 angeschlossen
wird. Ein Widerstand 2o wird vom Kontakt des Kontaktrelais geschaltet und bildet
einen Spannungsteiler, der gleichzeitig an der Spannung .des Netzes 13 liegt. Der
Widerstand 2o entspricht der in Fig. q. gezeichneten unterteilten Spannungsquelle
«To + a, Uo), i9 dem Widerstand R. Die mit Rücksicht auf stabiles Arbeiten
der Regelung meist noch erforderlichen Rückführeinrich,tungen sind in der Zeichnung
weggelassen.
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Die Wirkungsweise der Schaltung ist die folgende: Bei richtiger Drehzahl
stellt sich ein Schaltverhältnis ein, bei dem die Spannung am Stellmotor 15 im Mittel
Null ist, so daß dieser stillsteht. Bei zu niedriger bzw. zu hoher Drehzahl ändert
sich das Schaltverhältnis so, daß sich entsprechend Fig.3 eine mittlere Spannung
in der einen oder anderen Richtung am Motor 15 einstellt und dieser demzufolge den
Regler im Sinne einer Korrektur der Generatorspannung bzw. der Motordrehzahl verstellt.
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In Fig.6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Spannung
eines Drehstromgenerators 30 soll konstant gehalten werden. Die Erregermaschine
31 wird aus einem Hilfsnetz 32 erregt. Im Stromkreis der Erregerwicklung liegt ein
Regler 33, der durch einen konstant erregten Stellmotor 34 verstellt werden
kann. Die Spannung für den Stellmotor 34 wird von einem Generator 36 geliefert,
der von einem aus dem Netz 32 gespeisten Motor 35 angetrieben wird. Das Kontaktrelais
37 wird von der Spannung des Generators 30 über einen Spannungswandler 38,
einen Gleichrichter 39 und eine Glättungseinrichtung 40 gespeist. Die Glättungseinrichtung4o
ist so zu bemessen, daß sie das Wechselstromglied zwar weitgehend, aber nicht vollkommen
unterdrückt. Dem Gleichstrom ist also noch ein schwacher Wechselstrom überlagert,
durch den die Vibration des Relaiskontaktes hervorgerufen wird. Über die vom Relaiskontakt
gesteuerte Widerstandskombination 44 42 wird der Generator 36 je nach dem Schaltverhältnis
in dem einen oder anderen Sinne erregt. Auch hier sind die noch erforderlichen Rückführeinrichtungen
nicht mit eingezeichnet.
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Die Wirkungsweise ist ähnlich wie beim vorigen Beispiel die folgende:
Bei richtiger Klemmenspannung des Generators stellt sich ein Schaltverhältnis ein,
daß die resultierende Spannung an der Erregerwicklung des Generators 36 Null ergibt.
Damit ist auch die Spannung des Generators 36 und des Motors 34 Null, der Motor
steht also still. Bei Abweichung der Klemmenspannung vom Sollwert ändert sich das
Schaltverhältnis und damit der Erregerstrom des Generators 36, und zwar so, daß
der Verstellmotor den Regler 33 im Sinne einer Verringerung der Spannungsabweichung
verstellt.