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Einrichtung zum synchronen Antrieb von Geräten, vorzugsweise Filmlaufwerken
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum synchronen Antrieb von Geräten, vorzugsweise
Filmlaufwerken, unter Verwendung von Synchronmotoren, in der Form, daB jedem Gerät
ein Synchronmotor zugeordnet und für die gemeinsame Speisung derselben ein Frequenzumformaggregat
vorgesehen ist, mit dessen Hilfe für den Anlauf der Geräte die Frequenz der die
Synchronmotoren speisenden Wechselspannung von Null zum Sollwert, z. B. 5o Hz, und
für den Auslauf entsprechend vom Sollwert bis zu Null stetig veränderbar ist, wobei
der Betrag der Wechselspannung stets einen endlichen Wert besitzt, der auch noch
beim Stillstand der Geräte vorhanden und zur Gleichspannung geworden ist. Man kann
hierbei einen Frequenzumformer verwenden, der beim Lauf mit der synchronen Drehzahl
eine Wechselspannung mit der Frequenz Null, d. h. also eine Gleichspannung, und
bei Stillstand eine solche mit der Frequenz des angeschlossenen Netzes, z. B. 5o
Hz liefert. Wird dieser Frequenzumformer, der z. B. als Kommutatorumformer ausgebildet
sein kann, vom Stillstand bis zur synchronen Drehzahl hochgefahren, so erniedrigt
sich die Frequenz der abgegebenen Wechselspannung stetig von der Sollfrequenz (5o
Hz) bis zur Frequenz Null und umgekehrt, beim Auslauf des Umformers steigt die Frequenz
von Null bis zur Sollfrequenz an. Für den Anlauf der angeschlossenen Geräte mit
Synchronmotoren kann der Frequenzumformer, der zuvor auf die synchrone Drehzahl
gebracht worden ist, allmählich stillgesetzt werden und
umgekehrt,
für den Auslauf der Geräte, der Frequenzumformer vom Stillstand bis zur synchronen
Drehzahl hochgefahren werden.
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Die beschriebene Einrichtung zum synchronen Antrieb von Geräten soll
durch die Erfindung dadurch verbessert werden, daß ein drehzahlabhängiger Spannungsverlauf
durch Addition von zwei Teilspannungen hergestellt wird, von denen die eine durch
einen Widerstandsumformer geliefert wird, der eine Gleichspannung nur mit Hilfe
von ohmschen Widerständen in eine von der Frequenz unabhängige Wechselspannung umformt,
und die andere Teilspannung durch einen Generator geliefert wird, der eine mit der
Frequenz ansteigende Wechselspannung erzeugt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung
besteht der Widerstandsumformer aus einem Kollektor, aus ohmschen Widerständen und
Schleifringen, wobei Widerstände und Schleifringe auf einer gemeinsamen Drehwelle
angeordnet sind. Dabei sind Anzapfungen der ohmschen Widerstände mit den Kollektorlamellen
verbunden, während die Enden der ohmschen Widerstände mit den Schleifringen über
die umzuformende Gleichspannung; die z. B. von einem Netzgleichrichter zugeführt
wird, verbunden sind. Die Wechselspannung wird am Widerstandsumformer über die Kollektorbürsten
abgenommen.
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Der drehzahlabhängige Spannungs- und Frequenzverlauf wird bei einer
Ausführungsform nach der Erfindung dadurch erzielt, daß zwei Teilspannungen addiert
werden, von 'denen die eine frequenzunabhängig und konstant ist und die andere mit
der Frequenz steigt. Die konstante Teilspannung wird dabei zweckmäßig von dem Widerstandsumformer
und die mit der Frequenz steigende Spannung von einem Sychrongenerator geliefert,
der mit dem Widerstandsumformer in Serie geschaltet wird, so daß beide zusammen
das Synchronnetz der Geräte speisen. Das Frequenzumformeraggregat nach der Erfindung
besteht dabei zweckmäßig aus einem Drehstromsynchrongenerator, der mit einem Drehstromwiderstandsumformer
derart, zweckmäßig starr, gekuppelt ist, daß die Frequenz der erzeugten Drehspannung
mit steigender Umlaufzahl des Aggregats zunimmt und umgekehrt mit fallender Drehzahl
abnimmt. Im gleichen Sinne wie die Frequenz ändert sich die Amplitude der Dreiphasenspannung,
jedoch so, daß sie im Stillstand des Umformers noch einen beträchtlichen Wert aufweist,
die die Synchronmotoren der Geräte nach Art einer elektrischen Welle starr kuppelt.
Die abfallende Spannung besitzt also eine Komponente konstanter. Amplitude, welche
von dem Widerstandsumformer geliefert wird. Bei Stillstand des Frequenzumformers,
d. h. bei der Frequenz Null, wird die vom Widerstandsumformer gelieferte konstante
Wechsel- bzw. Drehspannung zu einer Gleichspannung.
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Bei einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung kann der Synchrongenerator
wegfallen, und es wird nur der Widerstandsumformer allein verwendet. In seinen Speisestromkreis
wird in diesem Fall erfindungsgemäß eine Spannungs-bzw. Stromregelanordnung eingeschaltet,
die die Speisespannung des Widerstandsumformers bei kleiner werdender Drehzahl bis
auf einen endlichen Wert automatisch herunterregelt und bei wachsender Drehzahl
entsprechend wieder selbsttätig heraufregelt. Ein solcher Widerstandsumformer liefert
keine konstante, drehzahlunabhängige Spannung mehr, sondern eine von einem endlichen
Wert bei der Drehzahl Null bis zum Sollwert bei der Betriebsfrequenz ansteigende
Spannung. Als Spannungs- bzw. Stromregler kommt dabei gemäß' der Erfindung ein solcher
mit Fliehkraftregler oder ein solcher mit Magnetverstärker, d. h. mit gleichstromvormagnetisierter
Drosselspule, in Betracht.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten sind an Hand von Fig. i bis
7 in einigen Ausführungsformenbeispielsweise erläutert.
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Gemäß Fig. i ist an das Drehstromnetz i mit den Phasen RST über den
Wendeschalter 2 ein asynchron anlaufender Synchronmotor 3 angeschaltet, und zwar
so, daß er vorwärts und rückwärts angelassen werden kann. Starr damit gekuppelt
ist der Synchrongenerator 4, der eine mit Schleifringen 5 verbundene Erregerwicklung
auf dem Anker hat, an die vom Gleichrichter 6 über den Reglerwiderstand 7 die Erregergleichspannung
gelegt wird. Ebenfalls starr damit gekuppelt ist der Widerstandsumformer 9, der
aus dem Kollektor io, einem oder mehreren ohmschen Widerständen i i und den Schleifringen
12, alles auf der gemeinsamen Drehwelle 21, besteht. Anzapfungen des bzw. der ohmschen
Widerstände i i sind mit den Lamellen des Kollektors io verbunden, und vom Gleichrichter
13 wird über die Schleifringe 12 den Enden der Widerstände i i eine Gleichspannung
zugeführt. Der Siebkondensator 14 glättet die vom Netzgleichrichter 13 gelieferte
Gleichspannung und säubert sie von Oberwellen. Auf dem Kollektor io sind um i2o°
versetzt die Bürsten 15 angeordnet, an denen eine von der Drehzahl unabhängige konstante
Dreiphasenwechselspannung Ex bzw. bei Stillstand eine entsprechend hohe Gleichspannung
entsteht, die der dreiphasigen Ständerwicklung i6 des Synchrongenerators 4 an einem
Ende zugeführt wird. Das andere Ende der Ständerwicklung 16 liegt am Synchronnetz
17, an das die Synchronmotoren 18, i9, 2o der anzutreibenden Geräte, die im einzelnen
nicht dargestellt sind, angeschlossen werden können. Der Synchronmotor i8 gehört
beispielsweise zu einem Bildfilmprojektor und die Motoren i9 und ao zu getrennten
Tonbandspielern, die zweckmäßig als Magnettongeräte ausgebildet sind. Am Voltmeter
8 kann die vom Aggregat gelieferte Ausgangsspannung gemessen werden. Die addierten
Teilspannungen der Ausgangsspannung, von denen die vom Widerstandsumformer 9 gelieferte
frequenzunabhängig und konistant ist und die vom Synchrongenerator 4 erzeugte proportional
mit der Frequenz bzw. Drehzahl ansteigt, werden in der
Phase miteinander
in Übereinstimmung gebracht. Dies geschieht praktisch dadurch, daß die Phasenlage
der Teilspannungen regelbar und einstellbar gemacht und im Betrieb abgeglichen wird.
Der richtige Phasenzustand kann am Voltmeter 8 abgelesen werden. Für die Phaseneinstellung
sind die Kollektorbürsten 15 des Widerstandsumformers 9 verschiebbar angeordnet
und mit Bürstenverstellmitteln versehen. -Der Motor 3, der Generator 4 und der Widerstandsumformer
g sind auf der gemeinsamen Drehwelle 21 angeordnet. Die Synchronmotoren 18, 19,
20 sind immer elektrisch starr gekuppelt, und zwar auch bei Stillstand sowie beim
Anlaufen und beim Auslaufen.
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Fig.2 stellt den Widerstandsumformer und seine Schaltung dar. Die
Bezugszeichen der Teile stimmen mit denen von Fig. i überein. Zu bemerken ist, daß
nur die eine Hälfte der Lamellen des Kollektors io an den Widerständen ii liegen.
Die Lamellen der anderen Hälfte sind paarweise mit den entsprechenden Lamellen der
ersten Hälfte zusammengeschaltet. Auf diese Weise werden Widerstände und Anzapfungen
eingespart. Bei einer Weiterbildung eines Umformers dieser Art werden die Kollektorlamellen
an ein hintereinander geschaltetes System von Gleichrichtern gelegt, welche von
einem Wechselstromtransformator vom Netz gespeist werden. Der besondere Netzgleichrichter
13 und die Widerstände i i können dann wegfallen, da jetzt der Kollektor eine stufenweise
von Lamelle zu Lamelle höhere Gleichspannung direkt von den in Serie liegenden Gleichrichtern
erhält. Auch dabei werden die Kollektorlamellen zweckmäßig paarweise zusammengeschaltet.
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Fig. 3 zeigt den Verlauf der vom Widerstandsumformer erzeugten Wechselspannung,
die im Grunde sinusförmig ist, mit kleinen Treppenstufen entsprechend dem Spannungsunterschied
zwischen zwei benachbarten Kollektorlamellen.
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In Fig. 4 ist ein Diagramm der Spannungen aufgetragen. Die Ordinate
gibt die Spannung E in Volt an, während auf der Absmisse d-ie Drehzahl ?a der gemeinsamen
Welle 21 des Motors 3, des Generators 4 und des Widerstandsumformers 9, und zwar
von o bis 300o U/min, sowie die Frequenz f des Synchronnetzes 17 von o bis 5o Hz
aufgetragen sind.
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Dabei bedeutet E1 die konstante frequenzunabhängige Teilspannung des
Widerstandsumformers, E2 die mit der Drehzahl n und der Frequenz f wachsende Spannung
des Synchrongenerators, und E3 ist die addierte Gesamtspannung. Erfindungsgemäß
liegt das Minimum der Spannung E3 bei etwa 5o Volt Gleichspannung (f = o; zz = o)
und das Maximum bei 22o Volt und 5o Hz und 3000 U/min.
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Bei den weitergebildeten Anordnungen nach Fig. 5 und 6 wird auf der
Drehwelle 2i nur der Motor 3 und der Widerstandsumformer 9 angeordnet. Der Synchrongenerator
4 kann hier eingespart werden, er kann bei bestimmten Ausführungen jedoch durchaus
auch zusätzlich noch in der Schaltung von Fig. i vorgesehen sein. Erfindungsgemäß
wird bei Fig. 5 und 6 der Widerstandsumformer g über einen in seinem Speisestromkreis
liegenden Spannungsregler betrieben, der die Speisespannung in Abhängigkeit von
der Drehzahl verändert.
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In Fig. 5 besteht dieser Spannungsregler aus dem Magnetverstärker
3 i, der eine Wechselstromwicklung 32 hat, die als Drosselspule zwischen dem Netz
i und dem Gleichrichter 13 eingeschaltet ist. Der Magnetverstärker 31 hat außerdem
eine Gleichstromerregerwicklung 33, die an den Gleichstrom-Tachometerdynamo 3o auf
der gemeinsamer Drehwelle 21 angeschlossen ist. Bei stillstehendem Aggregat ist
der Magnetverstärker 31 nicht mit Gleichstrom vormagnetisiert, und seine Drosselwicklung
32 reduziert die Speisespannung des Netzgleichrichters 13 gerade so weit, daß der
Widerstandsumformer 9 eine Gleichspannung von etwa 5o Volt an das Synchronnetz 17
abgibt. Der Tachometerdynamo 30 liefert eine der Drehzahl der Welle 21 proportionale
Gleichspannung, und diese erregt den Magnetverstärker 31 über seine Erregerwicklung
33 mit steigender Drehzahl immer stärker und bei fallender Drehzahl in entsprechend
umgekehrter Weise schwächer. Mit größer werdender Vormagnetisierung wird die Impedanz
der Drosselwicklung 32 des Magnetverstärkers 3i kleiner, und die Spannung steigt
damit am Netzgleichrichter 13 und am Widerstandsumformer 9 entsprechend an. Die
Regelanordnung kann so eingestellt werden, daß bei 5o Hz am Synchronnetz 17 gerade
etwa 22o Volt liegen. Der Magnetverstärker 3 i kann gleichzeitig noch für einen
weiteren Regelzweck mit ausgenutzt werden. Hierfür hat er eine weitere Compoundwicklung
34, die vom Ausgang des Widerstandsumformers 9 über den Transformator 35, den Gleichrichter
36 und den Siebkondensator 37 einen Erregerstrom erhält. Auf diese Weise kann die
Regelung der Stromzufuhr zum Widerstandsumformer g so eingestellt werden, daß die
Spannung am Synchronnetz 17 lastunabhängig wird.
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Bei der Anordnung nach Fig. 6 wird der Netzgleichrichter 13 über den
Anzapfungstransformator 40 gespeist. Dieser ist mit dem Stufenschalter 41 'verbunden,
der die Spannung an Gleichrichter 13 erhöhen oder erniedrigen kann. Mit dem Schaltarm
43 des Stufenschalters 41 ist der Fliehkraftregler 42 gekuppelt, der auf der Drehwelle
2i sitzt. Diese Regelanordnung wird ebenfalls so eingestellt, daß bei Stillstand
etwa 50 Volt Gleichspannung- und bei Normallauf etwa 22o Volt Drehspannung
von 5o Hz am Synchronnetz 17 liegt.
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In Fig. 7 ist eine besonders zweckmäßige Ausführungsform eines Widerstandsumformers
dargestellt. Auf der Grundplatte 44 sind die beiden Lagerschilde 45 mit den Kugellagern
46 befestigt, in denen die Welle 47 läuft, die über die Kupplung 48 mit den anderen
Maschinenteilen verbunden werden kann. Auf der Drehwelle 47 sind die beiden Scheiben
49 befestigt, zwischen denen in Käfiganordnung mehrere drahtgewickelte Zylinderwiderstände
5o
auf Porzellanröhren 51 mittels Schraubbolzen 52 eingespannt sind. Daneben sitzt
auf der Welle 47 der Kollektor 53, und auf der anderen Seite sind die Schleifringe
54 angebracht. Die Kollektorrbürsten 55 sind um i2o° versetzt auf der glatte 55
befestigt, die mittels der Büchse 57 vierdrehbar und feststellbar am linken Lagerschild
45 angeordnet ist. Die Büchse 57 enthält gleichzeitig das Kugellager 46. Durch Drehen
der Platte 56 wird die Phasenlage eingestellt. Danach wird die Mutter 58 festgezogen
und dadurch die Anordnung fixiert.
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Der Widerstandsumformer kann grundsätzlich bei allen beschriebenen
Ausführungsformen auch anders betrieben werden, und zwar so, daß Widerstände und
Kollektor feststehen und die Kollektorbürsten umlaufen.
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Für einen schnellen Rückwärtslauf der Geräte kann die Anordnung so
ausgebildet werden, daß der Frequenzumformer mit doppelter oder mehrfacher Drehzahl
rückwärts angetrieben wird. Hierfür ist der Wendeschalter 2 der Fig. i eingerichtet.