DE966450C - Maschinenverstaerkeranlage, insbesondere fuer Fernsteuerung - Google Patents

Description

In der Technik besteht vielfach die Forderung, mit kleinen Steuergrößen große Verstellkräfte auszuüben bzw. einen Sollwert kleiner Leistung einem Istwert großer Leistung zuzuordnen. Zwischen Sollwert und Istwert muß dann ein Verstärker eingeschaltet sein. Ein bekanntes Verfahren arbeitet mit Öldruckkolben, mit dem durch Betätigen eines kleinen Steuerkolbens große Kräfte ausgeübt werden können. Dem öl als Übertragungsmittel haften

ίο jedoch verschiedene Nachteile an, die seine Verwendung nicht überall zulassen. Es sind auch schon elektrische Maschinen als Verstärker verwendet worden; z. B. stellt eine mit Gleichstrommaschinen in Leonard schaltung betriebene Rudermaschine eine Verstärkeranlage dar, die es ermöglicht, daß das Ruder mit einem leicht einstellbaren Sollwert in jede gewünschte Lage gebracht werden kann. Von einer neuzeitlichen Maschinenverstärkeranlage ist zu verlangen, daß sie möglichst winkelgetreu bzw. größengetreu und verzögerungsfrei überträgt. Ferner soll sie ohne offene Kontakte arbeiten, die einem dauernden Verschleiß ausgesetzt sind. Diese Eigenschaften fehlten den bisherigen Lösungen mehr oder weniger, während sie mit vorliegender Erfindung' leicht erreicht werden können.

Erfindungsgemäß erfolgt die Verstärkung mit Hilfe einer Gleichstromquerfeldmaschine, die mit Differenzerregung arbeitet und deren Ankerkreis den Verstellmotor der Verstärkeranlage speist. Die Differenzerregung wirkt über das Querfeld auf den

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Ankerkreis, der mit einer Kompensationswicklung zur Erhöhung des Verstärkungsgrades versehen sein kann. Die Differenzerregung besteht aus zwei sich entgegenwirkenden Einzelerregungen, die über Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz mit einer konstanten und einer damit in Reihe geschalteten veränderlichen Spannung gespeist werden. Die veränderliche Spannung wird einem Drehumspanner entnommen, der so geschaltet ist, daß sich die ίο veränderliche Spannung für den einen Erregerkreis zur konstanten Spannung addiert und für den anderen subtrahiert, und umgekehrt. Ist die veränderliche Spannung Null, so· sind beide Erregerkreise gleich stark erregt, und die Differenzerregung ist Null. Die Querfeldmaschine gibt keine Leistung an den Verstellmotor ab, so daß dieser in Ruhe ist. Wird nun der Drehumspanner durch äußeren Eingriff verstellt, so wird die Erregung des einen Erregerkreises verstärkt und die des anderen geschwächt. Unter dem Einfluß dieser Erregung liefert die Querfeldmaschine entsprechend ihrem Verstärkungsgrad Leistung an den Verstellmotor, der in einem bestimmten Sinn umläuft. Über eine Rückdrehvorrichtung und ein Differential wird die Verstellung des Drehumspanners wieder rückgängig gemacht, wenn der vom Verstellmotor zurückgelegte Weg dem Sollwert entspricht. Die Querfeldmaschine wird dann wieder spannunglos. Bei entgegengesetztem Befehl dreht sich der Verstellmotor nach der einen Seite.

Es ist bereits eine Anordnung zur Steuerung von Elektromotoren, die von einem Leonardgenerator gespeist werden, dessen Erregung von einer von der Steuerstelle aus regelbaren Wechselspannung und einer dieser überlagerten konstanten Wechselspannung abhängt, bekannt, bei der die beiden Wechselspannungen in einem Umspanner mit mittlerer Anzapfung überlagert und die Summe bzw. die Differenz der Amplituden beider Wechselspannungen je über einen Trockengleichrichter zwei Erregerwicklungen des Leonardgenerators zugeführt werden. Bei dieser Anordnung wird die regelbare Wechselspannung von einem Wechselstromverstärker geliefert, dem als Steuerspannung 4-5 die Sekundärspannung eines Einfachdrehumspanners zugeführt wird, der als Empfänger primär von einem ebenfalls als Einfachdrehumspanner ausgebildeten Geber gespeist wird. Demgegenüber wird bei der Erfindung die veränderliche Wechselspannung, die in Verbindung mit der konstanten Spannung dem Gleichrichter zugeführt wird, von einem Doppeldrehumspanner geliefert. Der Einfachdrehumspanner hat nun den Nachteil, daß sein Verstellwinkel lastabhängig ist und daß zu seiner Verstellung ein Drehmoment am Geber der Einrichtung erforderlich ist. Um diese beiden Fehler klein zu halten, ist bei der bekannten Anordnung zwischen dem Einfachdrehungsumspanner und dem Umspanner zur Überlagerung der beiden Wechselspannungen ein Wechselstromverstärker dazwischengeschaltet. Eine derartige Einrichtung entfällt bei der Anordnung nach der Erfindung, da der Doppeldrehumspanner die genannten Nachteile des Einfachdrehumspanners nicht aufweist, da an seiner Welle bei Belastung mit Wirklast kein Drehmoment auftritt.

Entsprechend dem hohen Verstärkungsgrad der Querfeldmaschine ist die dem Erregerkreis zuzuführende Leistung nur klein, die auf den Drehumspanner ausgeübten Verstellkräfte sind daher auch nur sehr klein, dies noch besonders, wenn er als Doppeldrehumspanner ausgeführt wird, dessen Drehmoment bei Wirkbelastung bekanntlich Null ist. Man kann daher mit üblichen Ferndrehern kleiner Leistung die Verstellung bewirken und den Istwert äußerst winkelgetreu mit dem Sollwert steuern. Da die Querfeldmaschine nahezu ohne Verzögerung arbeitet, erfolgt der Angleich des Istwertes an den Sollwert sehr schnell.

Einige Ausführungsbeispiele dienen noch zur besseren Erläuterung des Erfindungsgedankens. In Fig. ι bedeutet 1 den Verstellmotor einer Rudermaschine, einer Geschützlafette, eines Scheinwerfers od. dgl., dessen Feld z. B. konstant erregt sei und dessen Anker vom Ankerkreis einer Querfeldmaschine 2 gespeist werde. Diese wird von einem Motor 25 angetrieben. Um den Verstärkungsgrad zu vergrößern, kann eine Kompensationswicklung 3 vorgesehen sein, die Erregerwicklung 4 besitzt eine Anzapfung in der Mitte, die über je einen Gleichrichter S und 6 (Trockengleichrichter) zu den beiden anderen Enden der Wicklung 4 geführt ist. Die Wechselstromanschlüsse der beiden Gleichrichter sind in Brückenschaltung an die beiden Umspanner 7 und 8 angeschlossen, deren Erstwicklungen am Netz 9 liegen. Die Zweitwicklung des nicht regelbaren Umspanners 7 ist an die in der Mitte angezapfte Zweitwicklung des regelbaren Umspanners 8 angeschlossen, der zweckmäßig als Drehstrom-Doppeldrehumspanner ausgeführt wird, der bekanntlich bei Wirkbelastung kein Drehmoment entwickelt. Für einen bestimmten Fall subtrahiert sich z.B. von der Spannung Ey des Umspanners 7 (Fig. 2) die halbe Zweitspannung des Umspanners 8 für den Stromkreis des Gleichrichters 5 (5), während der Gleichrichter 6 von der Summe der beiden Spannungen (E 6) gespeist wird. In der Querfeldmaschine entsteht daher eine kräftige Differenzerregung, die über das Querfeld der Kurzschlußachse eine große Spannung an den Hauptbürsten erzeugt. Unter deren Wirkung setzt sich der Verstellmotor beschleunigt in Bewegung und dreht dabei über die Rückstellvorrichtung 10 und das Differential 11 den Drehumspanner 8 in die Nullage zurück, in der er sich befand, bevor er mittels der beiden Ferndreher 12 und 13 entsprechend der gewünschten Sollstellung· verdreht wurde. Unter dem Einfluß der zunehmenden Rückführung vermindert sich der Unterschied der beiden Spannungen, bis sie schließlich gleich Ey werden, wenn der Istwert den Sollwert erreicht hat. Man kann das Differentialgetriebe auch so ausführen, daß die Differentialwelle sich nur dreht, wenn der Unterschied zwischen Sollwert und Istwert nicht sehr groß ist, bei größeren Abweichungen aber stillsteht. Diesem Umdrehungs- bzw. Winkelbereich der

Differentialwelle wird die Erregung der Querfeldmaschine so zugeordnet, daß der volle Wert der Erregung nach beiden Richtungen erreicht werden kann,. Man erreicht auf diese Weise eine größere Genauigkeit bezüglich der Übereinstimmung von Istwert und Sollwert. Es genügen dann schon kleine Abweichungen vom Sollwert, um den Verstellmotor auf volle Drehzahl zu bringen (Kurve a in Fig. 3), während sonst die Drehzahl über der Abweichung vom Sollwert nach Kurve b verlaufen würde.

Statt der starren Rückführung kann auch eine elastische Rückführung mit Dämpfung von Vorteil sein, mit der sich Uberregelungen und Pendelungen leichter unterdrücken lassen.

In Fig. 4 ist eine solche Anordnung angedeutet. Statt des einen Differentials 1 sind zwei Differentiale vorhanden, die des besseren Verständnisses halber als Differentialgestänge dargestellt sind. Am Differentialgestänge 11 greift am einen Drehpunkt 15 der Ferndreher 13 an, der den Sollwert vorschreibt, am anderen Drehpunkt 16 der Verstellmotor i. Der Doppeldrehumspanner 8 wird durch das Differentialgestänge 14 und dessen Drehpunkt 17 betätigt. Dieses hängt mit seinem einen Drehpunkt 18 am Drehpunkt 19 des Differentials 11, mit seinem anderen Drehpunkt 20 über ein Dämpfungsglied 21 am Verstellmotor 1. Außerdem wirken auf das Differential 14 noch die beiden Federn 22 und 23 ein, die bestrebt sind, den Punkt 24 stets in eine mittlere Lage zu bringen. Wandert nun durch einen Befehl des Ferndrehers 13 der Drehpunkt 15 nach unten, so nimmt das Differential 11 die Lage 16-15' ^e'in. Damit kommt auch der Drehpunkt 19 in die Lage 19', und das Differential 14 nimmt die Lage 20-18' ein, der Doppeldrehumspanner gibt dem Motor 1 Befehl, in einem bestimmten Sinn umzulaufen. Dadurch geht das Gestänge mit dem Drehpunkt 16 und dem Zylinder des Dämpfungsgliedes 21 nach oben. Da hierbei das Dämpfungsmittel (Luft oder öl) in dem Zylinder von 21 noch keine Möglichkeit zum Ausgleich hat, wird der Kolben von 21 ebenfalls mitgenommen. Dadurch wandert auch der Punkt 20 nach oben, desgleichen auch 18' wieder in Richtung 18 zurück, weil sich 19' unter dem Einfluß von 16 wieder auf 19 zu bewegt. Infolgedessen wird der Doppeldrehumspanner 8 vorzeitig in die Nullstellung gebracht. Unter dem Einfluß der Feder 23 wird der Kolben jedoch in den Zylinder 21 hineingezogen, und der Punkt 17 würde wieder nach unten wandern. Hat jedoch mittlerweile 18' die Lage i6'-i5' eingenommen, d. h. 19 hat wieder seine ursprüngliche Stellung erreicht, desgleichen 14 mit 17, 18 und 20. Lediglich der Zylinder von 21 befindet sich jetzt in der gestrichelten Lage. Durch richtige Einstellung der Dämpfung kann man es erreichen, daß der ganze Regelvorgang ohne Überregelung und Pendelungen vor sich geht. Die nachgiebige Rückführung bringt daher hier ähnliche Vorteile wie die Isodromregelung bei Kraftmaschinen. Man kann das zweite Differential auch sparen, wenn man die nachgiebige Rückführung mit dem Dämpfungsglied 21 und den Federn 22 und 23 am drehbar gelagerten Ständer des Ferndrehers 13 angreifen läßt. Die Wirkung bleibt die gleiche. Das Dämpfungsglied kann auch aus einem kleinen Uhrwerk mit Hemmung oder einem kleinen Lüfterflügel bestehen, wie in Fig. 5 angedeutet ist. Man vermeidet auf diese Weise flüssige Dämpfungsmittel mit ihren Nachteilen.

Bei den vorstehend gebrachten Ausführungsbeispielen erfolgt mit der Maschinenverstärkung und Fernsteuerung auch eine verhältnisgleiche bzw. winkelgetreue Übertragung des vom Ferngeber zurückgelegten Weges. Man kann auch die Übertragung so gestalten, daß der Ferngeber dem Maschinenverstärker nur Befehl gibt, nach der einen oder anderen Seite zu fahren. Dem Grad der Auslenkung aus der Nullstellung des Ferngebers entspricht die Drehzahl des Verstellmotors 1. Nachdem das vom Verstellmotor angetriebene Gerät die neue Lage erreicht hat, muß der Ferngeber wieder in seine Nullage zurückgebracht werden. Die jeweilige Stellung des Gerätes muß dann natürlich durch Fernzeiger auf die Befehlsstelle übertragen werden.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 speist die Querfeldmaschine 2 unmittelbar den Ankerkreis des Verstellmotors 1. Ist dieser für größere Leistungen bestimmt, so kann es vorteilhaft sein, die Querfeldmaschine, um sie nicht zu groß werden zu lassen, nur zur Erregung einer Zwischenmaschine zu verwenden, die ihrerseits den Ankerkreis des Verstellmotors speist. Um durch die Zwischenschaltung dieser Maschine keine Verzögerung der an den Anker 1 gelieferten Spannung eintreten zu lassen, wird die Querfeldmaschine mit Überschußerregung betrieben. Die Differenzerregung der Wicklung 4 wird wesentlich größer gewählt, als tatsächlich nötig ist. Der Überschuß wird durch Amperewindungen aufgehoben, die der Spannung der Zwischenmaschine verhältnisgleich sind. Solange die Zwischenmaschine noch nicht ihre Sollspannung hat, wird ihre Erregerwicklung von der Querfeldmaschine mit großer Überschußspannung gespeist, so daß das Feld schnell anwächst. Nach Erreichen des Sollwertes der Spannung führen dann die Gegenamperewindungen die Spannung der Querfeldmaschine auf das er forderliehe Maß zurück.

Diese Gegenamperewindungen vernichten auch 'die Remenenz der Zwischenmaschine, wenn der Verstellmotor den Sollwert erreicht hat. In Fig. 6 ist diese Schaltung dargestellt. Soweit es sich um die gleichen Bezugszeichen handelt, haben sie die gleiche Bedeutung wie oben. 26 bedeutet die Zwischenmaschine, die ebenfalls vom Motor 25 angetrieben wird. Ihr Ankerkreis speist den Anodenkreis des Motors 1, ihre Erregerwicklung wird vom Ankerkreis der Querfeldmaschine 2 gespeist. Die Erregerwicklung 4 ist so bemessen, daß die aus beiden Hälften sich ergebende Gesamtdurchflutung um ein. Mehrfaches größer ist als benötigt wird. Der Überschuß wird durch die Wicklung 27 aufgehoben, die an die Ankerspannung der Zwischen-

maschine 26 angeschlossen ist. Solange diese noch keine Spannung hat, sind die Gesamterregung der Querfeldmaschine und ihre Spannung groß und gehen in dem Maß zurück, wie die Maschine 26 auf Spannung kommt. Die Querfeldmaschine wird hierbei für ein Mehrfaches der bei vollem Feld an der Erregerwicklung von 26 benötigten Spannung bemessen, doch da die Erregerleistung von 26 nur einen kleinen Bruchteil ihrer Ankerleistung beträgt, erfährt die Querfeldmaschine eine beträchtliche Verkleinerung, und der Gesamtverstärkungsgrad wird stark vergrößert, ohne daß die Ansprechgeschwindigkeit der Verstärkung leidet. Man kann den Verstärkungsgrad noch weiter treiben, wenn man statt der einen Zwischenmaschine noch weitere vorsieht, wie es in Fig. 7 mit einer weiteren angedeutet ist. Die Erregerwicklung der Zwischenmaschine 26 wird vom Ankerkreis der Zwischenmaschine 28 gespeist und erst deren Erregerwicklung von der Querfeldmaschine, die Gegenwicklung 27 wird dagegen von der Ankerspannung von 26 gespeist. Sie vergleicht gewissermaßen die Ankerspannung von 26 mit der Differenzerregung der Wicklung 4. Der Vergleich ist um so besser, je größer die Anteile sind, aus denen sich die Gesamtdifferenz zusammensetzt. Diese als Fremderregung wirkame Gesamtdifferenz aber kann äußerst klein gehalten werden, nötigenfalls mit einer Eigenerregerwicklung im Ständer in Richtung der Querachse, die an die Hauptklemmen des Ankerstromkreises angeschlossen wird.

Mit den angegebenen Anordnungen ist es möglich, beliebige Verstärkungsgrade bis zu den größten Leistungen ohne nennenswerte Zeitverzögerung zu erhalten, besonders wenn die magnetischen Kreise aller Maschinen aus Blechen geschichtet sind. Bei der Verwendung von Zwischenverstärkern ist es von wesentlicher Bedeutung, die Endstufe mit der Eingangsstufe rückzukoppeln, und mit Überschußspannungen zu arbeiten, um von Widerstandsänderungen und Trägheiten der Zwischenkreise unabhängig zu werden. Solche Verstärkerschaltungen lassen vielseitigste Verwendung zu.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   r. Maschinenverstärkeranlage, insbesondere für Fernsteuerung, zur kontaktlosen Steuerung aus einem Wechselstromnetz unter Verwendung einer fremdang-etriebenen Gleichstromquerfeldmaschine mit Ankerkompensationswicklung als Generator, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquerfeldmaschine zwei einander entgegenwirkende Ständererregungen aufweist, die beide über Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz mit einer konstanten und einer von einem Doppeldrehumspanner gelief erten veränderlichen Spannung gespeist werden, wobei in an sich bekannter Weise an der einen Ständererregung die konstante und die veränderliche Spannung im gleichen Sinne wirken, an der zweiten Ständererregung hingegen einander entgegenwirken und wobei die veränderliche Spannung bei Unterschieden zwischen Ist- und Sollwert der durch die Maschinenverstärkeranlage gesteuerten Größe auftritt.
2. 2. Maschinenverstärkeranlage nach Anspruch i, insbesondere zur Speisung des Verstellmotors einer Rudermaschine, Geschützlafette, Scheinwerfer usw., dadurch gekennzeichnet, daß die mittels Ferngeber und Fernempfänger ausgelöste Differenzerregung der Querfeldmaschine mittels Rückführung von dem durch den Verstellmotor angetriebenen Gerät wieder rückgängig gemacht wird, wenn Sollwert und Istwert übereinstimmen.
3. 3. Maschinenverstärkeranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des Doppeldrehumspanners über ein Differential erfolgt, dem der Sollwert und der Istwert, beide mit starrer Übertragung, zugeleitet werden.
4. 4. Maschinenverstärkeranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzbewegung des Differentials einem zweiten Differential zugeleitet wird, das über eine nachgiebige Rückführung mit Dämpfung ebenfalls den Istwert zugeführt erhält und mit seiner Differenzbewegung erst auf dem Doppeldrehumspanner arbeitet (Isodromsteuerung).
5. 5. Maschinenverstärkeranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung mit Hemmung durch Flüssigkeit, Uhrwerk oder Lüfter arbeitet.
6. 6. Maschinenverstärkeranlage nach An-Spruch ι bis S, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Querfeldmaschine als Eingangsstufe ein oder mehrere Gleichstrommaschinen als Zwischenverstärker geschaltet sind.
7. 7. Maschinenverstärkeranlage nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkreis der Endstufe mit dem Erregerkreis der Eingangsstufe rückgekoppelt ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 529 337, 680463; USA.-Patentschriften Nr. 2 227 992, 2247166; deutsche Patentanmeldung A 10669 VIIIb/21 d¹.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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