DE961326C - Drehzahlregelung von Kraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregelung von Kraftmaschinen durch Regelung der Energiezufuhr mittels eines elektrischen Servomotors, in dessen Stromkreis eine Abstimmeinrichtung angeordnet ist, deren Einwirken auf den Servomotor durch eine von der Drehwinkelabweichung zwischen der Kraftmaschinenwelle und einer unabhängigen, mit der geforderten Drehzahl umlaufenden Welle beeinflußten Fühleinrichtung gesteuert wird. Bei diesen bekannten Drehzahlregelungen besteht die Fühl- oder Kontakteinrichtung aus zwei voneinander im Abstand befindlichen Kontakten, zwischen denen ein Kontaktarm angeordnet ist, der mit dem Trabantenrad eines Differentialgetriebes verbunden ist. Ein Tellerrad des Differentialgetriebes ist dabei auf der zu überwachenden Welle bzw. Maschine befestigt, während das andere mit der gewünschten Drehzahl umlaufende Tellerrad an ein Normaluhrwerk angeschlossen ist. Bei einem Abweichen von der Solldrehzahl wird der eine oder andere Kontakt durch den von der Differenzdrehzahl bewegten Kontaktarm geschlossen, so daß der durch die Kontakte gesteuerte Servomotor die Drehzahl der zu überwachenden Maschine im Sinne eines Gleichlaufes steuert. Da diese Art von Regelung ein dauerndes Pendeln der zu regelnden Maschine um die Solldrehzahl hervorruft, ist bei einer anderen bekannten Drehzahlregelung zwischen den eine Abstimmvorrichtung steuernden Kontakten, der Fühleinrichtung und dem Servomotor ein Impulsgeber vorgesehen, so daß der Servomotor nur schrittweise angetrieben wird und der Regelvorgang einer gedämpften periodischen Schwingung entspricht. Dabei erfolgt indessen stets

ein mehr oder weniger anhaltendes Pendeln um die Solldrehzahl, wodurch der Regelvorgang eine entsprechende Zeit erfordert. Außerdem ist der konstruktive Aufbau, auch anderer gleichwirkender Regelungen, verhältnismäßig vielteilig, was einerseits die Einrichtungen verteuert und andererseits deren Störanfälligkeit erhöht.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Drehzahlregelung von Kraftmaschinen gemaß dem Gattungsbegriff so zu verbessern, daß sie bei einem einfachen und wenig störanfälligen Aufbau jede etwa abweichende Drehzahl der Kraftmaschine möglichst pendelfrei und schnell wieder auf die Solldrehzahl bringt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß als Fühleinrichtung auf der Kraftmaschinenwelle ein an einem Kontaktfinger vorgesehener Schleifkontakt und auf der unabhängigen Welle eine Potentiometerwicklung angeordnet ist, auf der der Schleifkontakt ao gleitet, und daß Potentiometerwicklung und Abstimmeinrichtung zusammen eine Wheatstonesche Brücke bilden.

Durch diese Maßnahmen wird neben dem einfacheren und wenig störanfälligen Aufbau der Drehzahlregelung insofern eine günstige Lösung der Erfindungsaufgabe erzielt, als die Abstimmeinrichtung regelbar ausgebildet ist und durch die in ihrem Stromkreis angeordnete Kontakteinrichtung proportional zu der Drehwinkelabweichung der Kraftmaschinenwelle so gesteuert wird, daß der Regelvorgang im Zusammenhang mit den Massen der Kraftmaschine praktisch die Charakteristik einer aperiodischen Schwingung aufweist. Damit wird erreicht, daß sich die Kraftmaschinenwelle nach jedem Abweichen von der Solldrehzahl rasch und pendelfrei wieder auf diese einspielt. Insbesondere wird jedoch durch die erfindungsgemäß ausgebildete Drehzahlregelung durch die Anwendung einer Wheatstoneschen Brückenschaltung eine größtmögliche Genauigkeit in der Einhaltung der Solldrehzahl gewährleistet.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in schaubildlicher Ansicht schematisch dargestellt. Es zeigt Abb. ι die Anordnung einer Drehzahlregelung mit einem Potentiometer in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung zum Steuern des Servomotors, Abb. 2 eine Kontakteinrichtung zwischen der Kraftmaschinenwelle und der unabhängig davon mit der Solldrehzahl umlaufenden Welle, Abb. 3 und 4 jeweils die gleiche Kontakteinrichtung, jedoch unter Verwendung eines Differentialgetriebes. Beim Ausführungsbeispiel nach den Abb. 1 und 2 ist auf einer zu überwachenden Welle 1 einer zu regelnden Kraftmaschine ein mit einem Schleifring 2 verbundener Kontaktfinger 3 isoliert angebracht. Der Kontaktfinger 3 ist mit einem Schleifkontakt 4 versehen, der auf einer Potentiometerwicklung 5 gleitet, die auf einer zur Welle 1 der Kraftmaschine gleichachsig angeordneten und unabhängig von dieser umlaufenden Welle 6 vorgesehen ist. Die unabhängig von der Kraftmaschinenwelle 1 umlaufende Welle 6 wird über eine Rutschkupplung 7 und ein Getriebe 8 von einem stets mit gleichbleibender Drehzahl umlaufenden Synchronmotor 9 angetrieben. Die auf der unabhängigen Welle 6 angeordnete Potentiometerwicklung 5 ist ebenfalls von dieser isoliert und koaxial angebracht. Die beiden Enden der Potentiometerwicklung 5 sind mit je einem Schleifring 10 und 11 verbunden und mit dem Schleifkontakt 4 zu einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet. Im Brückenmittelzweig ist hierbei ein Verstärker 12, z. B. Röhrenverstärker oder ein röhrenloser Verstärker od. dgl. angeordnet, der seinerseits auf den Servomotor 13 einwirkt. Bei Synchronlauf beider Wellen 1 und 6 befindet sich der Schleifkontakt 4 in der Mitte der Potentiometerwicklung 5, so daß der Brückenmittelzweig spannungslos und der Servomotor 13 in Ruhe ist. Läuft jetzt die Kraftmaschinenwelle 1 schneller, so verschiebt sich der Schleifkontakt 4 auf der Potentiometerwicklung 5, und der Brückenmittelzweig erhält Strom, der über den Verstärker 12 den Servomotor 13 antreibt.. Die Energiezufuhr zur Kraftmaschine wird vermindert, bis der Gleichlauf beider Wellen wieder hergestellt ist. Bei Drehzahlabfall bzw. bei einer Drehwinkelabweichung der Welle 1 der Kraftmaschine wird der Schleifkontakt 4 in entgegengesetzter Richtung auf der Potentiometerwicklung 5 verschoben und dadurch die Stromrichtung im Brückenmittelzweig umgekehrt. Demgemäß wird auch der Servomotor 13 in gegenläufigem Sinne angetrieben und die Energiezufuhr so weit erhöht, bis die Kraftmaschine die vorgeschriebene Drehzahl wieder erreicht hat. Diese Art der Regelung besitzt eine Verstärkung mit Wegzuordnung durch mittelbare Rückführung, d. h. je näher der Schleifkontakt 4 an die Nullstellung herankommt, desto geringer ist der Regelimpuls auf die Kraftmaschine, womit im Zusammenhang mit der Masse der Kraftmaschine ein Überregeln zuverlässig vermieden wird. Die Wirkungsweise der Regelung läßt sich ohne weiteres durch besondere Ausbildung der Potentiometerwicklung 5 dadurch beeinflussen, daß an Stelle des linearen Anstiegs ein progressiver Anstieg ihres Widerstandes gewählt wird. Ferner können an beiden Enden der Potentiometerwicklung 5 noch besondere Kontakte vorgesehen sein, durch die dann eine höhere Spannung an die Klemmen des Servomotors 13 gelegt und so ein Eilgang eingeschaltet wird, damit der synchrone Lauf beider Wellen 1 und 6 schnell wieder hergestellt werden kann.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit (Abb. 3 und 4) besteht darin, zwischen Kraftmaschinenwelle 1 und unabhängiger Welle 6 in an sich bekannter Weise ein Differentialgetriebe 18 anzubringen, derart, daß jedes Tellerrad 19, 20 von einer Welle 1 oder 6 angetrieben wird. Das Gehäuse des Differentialgetriebes 18, in dem die Trabantenradachse 21 gelagert ist, ist um die gemeinsame Achse beider Wellen 1 und 6 drehbar. Auf dem Gehäuse ist ein Stift 22 befestigt, der in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 über einen Schleifkontakt 4 ein Potentiometer 5 beaufschlagt. Beide Wellen 1 und 6 müssen jedoch in diesem Falle gegenläufig sein, damit bei gleicher Drehzahl beider Wellen 1 und 6 das Gehäuse des Differentialgetriebes 18 mit dem Stift stillsteht. Bei Über- oder Unterschreiten der vorgeschriebenen

Drehzahl durch die Kraftmaschine, d. h. bei einer Drehwinkelabweichung zwischen den beiden Wellen ι und 6 erfolgt ein Vor- oder Rücklauf des Gehäuses des Differentialgetriebes i8, der in gleicher Weise wie die Relativbewegung des Kontaktfingers 3 im Ausführungsbeispiel nach Abb. 2 zur Steuerung der Kontakteinrichtung benutzt wird. Die Verwendung eines Differentialgetriebes 18 bietet jedoch den weiteren Vorteil, daß das Potentiometers nicht mit umläuft. Dadurch wird die bauliche Ausführung erheblich vereinfacht. Denn die Schleifringe 2, 10, 11 können wegfallen, und im Ausführungsbeispiel nach den Abb. 3 und 4 kann der Schleifring 2 auch durch eine federnde Stromzuführung 23 ersetzt werden, weil das Gehäuse des Differentialgetriebes 18 nur eine Pendelbewegung und keine vollständige Umdrehung ausführt. Durch die Verwendung eines Differentialgetriebes 18 wird eine sehr robuste Vorrichtung zur Drehzahlregelung geschaffen, die' eine sehr hohe Betriebssicherheit gewährleistet.

Durch die zwischen Kontakteinrichtung und Getriebe 8 vorgesehene Rutschkupplung 7 soll bei Ausfall der Kraftmaschine oder des Synchronmotors 9 eine Beschädigung der Kontakteinrichtung durch einseitiges Durchdrehen vermieden werden. Das zwischen Rutschkupplung 7 und Synchronmotor 9 vorgesehene Getriebe 8 ist in den Fällen einzubauen, in denen der Synchronmotor 9 aus einem frequenzgeregelten Netz gespeist wird und dementsprechend nicht die Drehzahl aufweist, die der geforderten Drehzahl der Kraftmaschine entspricht. Durch das Getriebe 8, das auch als Schaltgetriebe oder als stufenlos regelbares Getriebe ausgebildet sein kann, wird dann die geforderte Vergleichsdrehzahl der unabhängig angetriebenen Welle 6 hergestellt. Es ist auch von Vorteil, den zum Betrieb des Synchronmotors 9 erforderlichen Strom in einem Röhrengenerator zu erzeugen, dessen Frequenz durch Verändern eines Schwingkreises einstellbar ist. Hiermit wird erreicht, daß die Drehzahl des Synchronmotors 9 als Vergleichsdrehzahl den eventuell verschiedenen Drehzahlen der Kraftmaschine angepaßt werden kann, wobei dann die jeweils eingestellte Drehzahl sehr genau eingehalten wird. Außerdem kann die Regelvorrichtung auch zum Anfahren benutzt werden. Für besonders hohe Ansprüche zur Konstanthaltung der verschiedenen Drehzahlen einer Kraftmaschine kann auch ein quarzgesteuerter Röhrengenerator zum Erzeugen der für eine bestimmte Drehzahl erforderlichen Frequenz zum Betreiben des Synchronmotors 9 vorgesehen werden, der damit eine annähernd absolut konstante Drehzahl erhält.

An Stelle des Synchronmotors 9, mit Ausnahme der Fälle für genaueste Regelung, kann auch ein Gleichstrommotor verwendet werden, z. B. ein Neben- oder Doppelschlußmotor, da diese Motore eine sehr konstante Drehzahl aufweisen. Sie können auch regelbar ausgeführt sein, wodurch sich wieder die bereits genannten Vorteile ergeben.

Weiterhin kann zum Erzielen einer höheren Regelgenauigkeit an der Welle 1 der Kraftmaschine ein ins Schnelle übersetzendes Getriebe angebracht werden, an dessen Abtriebswelle die Regelvorrichtung angeschlossen wird. Dabei muß die Drehzahl der unabhängigen Welle 6 der überhöhten Drehzahl an der Abtriebswelle des Getriebes an der Welle 1 der Kraftmaschine entsprechen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehzahlregelung von Kraftmaschinen durch Regelung der Energiezufuhr mittels eines elektrischen Servomotors, in dessen Stromkreis eine Abstimmeinrichtung angeordnet ist, deren Einwirken auf den Servomotor durch eine von der Drehwinkelabweichung zwischen der Kraftmaschinenwelle und einer unabhängigen, mit der geforderten Drehzahl umlaufenden Welle beeinflußten Fühleinrichtung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Fühleinrichtung auf der Kraftmaschinenwelle (1) ein an einem Kontaktfinger (3) vorgesehener Schleifkontakt (4) und auf der unabhängigen Welle (6) eine Potentiometerwicklung (5) angeordnet ist, auf der der Schleifkontakt gleitet, und daß Potentiometerwicklung und Abstimmeinrichtung zusammen eine Wheatstonesche Brücke bilden.

2. Drehzahlregelung nach Anspruch 1, mit einem zwischen der Kraftmaschinenwelle und der unabhängigen Welle angeordneten Differentialgetriebe, dessen mit der Trabantenradachse verbundenes Gehäuse einen die Fühl- oder Kontakteinrichtung steuernden Stift aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (22) als Kontaktstift mit einem Schleifkontakt (4) versehen ist, der auf einer feststehenden Potentiometerwicklung (5) aufliegt.

3. Drehzahlregelung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Brückenmittelzweig der aus Potentiometerwicklung (5) und Abstimmvorrichtung bestehenden Wheatstoneschen Brücke ein Verstärker (12), z. B. Röhrenverstärker, röhrenloser Verstärker, Relais od. dgl. angeordnet ist, der oder das den Servomotor (13) für die Energieregelung der Kraftmaschine steuert.

4. Drehzahlregelung, bei der die unabhängig laufende Welle von einem Synchronmotor angetrieben ist, nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronmotor (9) aus einem Netz mit geregelter Frequenz oder einem Röhrengenerator mit quarzgesteuerter und regelbarer Frequenz gespeist ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 99 846; deutsche Patentschriften Nr. 462 366, 48 562, 674412;
österreichische Patentschrift Nr. 137 544.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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