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Selbsttätiger Regler für Gleichlauf-Regelanordnungen Die Erfindung
bezieht sich auf einen selbsttätigen Regler für Gleichlaufantriebe, bei dem ein
eine etwaige Wegdifferenz al.s Integral der Drehzahldifferenz der auf Gleichlauf
zu regelnden Teil;. darstellendes Meßwerk, wie z. B. eine Tänzerwalze, vorgesehen
ist. Bei den bekannten Reglern für Gleichlaufan.triebe ist ein Differential, beispielsweise
eine Tänzerwalze oder die Differentialwelle eines Differentialgetriebes, starr mit
dem Stellglied eines Reglers verbunden. Die Regelanordnung arbeitet daher als Trägregler
und hat den Nachteil, daß für die Ausregelung einer Abweichung vom Gleichlauf verhältnismäßig
viel Zeit benötigt wird. Bei einer weiteren bekannten Glei.chlauf-Regeleinrichtung,
bei der ebenfalls eine Tänzerwalze zur Erfassung einer etwaigen Wegdifferenz der
auf Gleichlauf zu regelnden Teile vorgesehen ist, ist die Tänzerwalze nicht starr
mit dem Stellglied des Reglers verbunden, sondern die Tänzerwalze steuert über eine
Kontaktvorrichtung einen den Drehzahlsteller mit konstanter Geschwindigkeit antreibenden
Steuermotor. Da bei dieser Anordnung die Stellgeschwinidigkeit des Drehzahlstellers
konstant ist, ist der Stellweg des Drehzahlstellers gegeben durch die Einschaltdauer
des Steuermotors. Die Rückführung der Tänzerwalze in die ursprüngliche Stellung
erfolgt hierbei mit Hilfe
einer weiteren Kontaktvorrichtung und
eines Nachlaufmotoirs. Auch bei dieser bekannten Einrichtung wird für die Ausregelung
einer Abweichung und Rückführung der Tänzerwalze längere Zeit in Anspruch genommen.
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Eine wesentliche Verbesserung bei wird gemäß der Erfindung dadurch
erreicht, daß in dem Einwirkungsweg auf das Drehzahlstellglied der Regelstrecke
ein den Differentialquotienten der Meßwerkauslenkung bildendes Element eingeschaltet
ist, wie z. B. eine Dämpfungskupplung, und eine elastische Rückführung vorgesehen
ist, die vom Integral der Drehzahldifferenz hergeleitet ist. Damit wird eine schnelle
Ausregelung einer Abweichung vom Gleichlauf erreicht.
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An sich sind indirekte Regler mit elastischer Rückführung bei Generatorregelungen
bekanntgeworden, um eine vorübergehende Statik in die Regelung hineinzubringen.
Im Fall der Erfindung handelt es sich jedoch nicht um eine Regelung von Generatoren,
sondern um eine Gleichlaufregelung mehrteiliiger Arbeitsmaschinen.
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Mit besonderem Vorteil kann die Dämpfungskupplung nach Art einer Topfbremse
ausgebildet werden. Sofern das Meßwerk als Differential ausgebildet ist, ergibt
sich auch eine sehr zweckmäßige Ausführungsform, wenn die Dämpfungskupplung durch
ein Getriebe mit Wirbelstrombremse zwischen Meßwe:rk und Stellglied gebildet wird.
An das Stellglied kann weiter eine Feder angeschlossen werden, die über ein Hehelsysroem
in mechanischer Parallelschaltung zur Dämpfungskupplung mit dem Meßwerk verbunden
ist.
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Nähere Einze@lheimen der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen. Bei der Schaltung nach Fig. i werden die Drehzahlen
der beiden Walzen i und 2 durch eine Tänzerwalze 3 miteinander verglichen. Die Tänzerwalze
3 ist über eine Dämpfungsbremse .4 mit dem Stellglied 5 des Reglers verbunden. Dass
gleiche Stellglied 5 ist außerdem über eine Feder 6 an eine weitere Dämpfungsbremse
7 angeschlossen. Es ist angenommen, daß das Stellglied 5 einen Widerstand 8 im Erregerkreis
eines Motors 9 steuert, der eine der beiden Walzen i und 2 antreibt. Wesentlich
bei dieser Schaltung ist die Verbindung zwischen der Tänzerwalze 3 und dem Stellglied
5 des Reglers. Die sonst übliche starre Verbindung dieser beiden Teile ist durch
die Verbindung über eine Dämpfungskupplung ersetzt, wobei irgendeines der bekannten
Dämpfungsmittell mechanischer oder elektrischer Art verwendet werden kann. Die Dämpfungskupplung
übt auf das Stellglied eine Kraft aus, die um so größer ist, je größer in einem
bestimmten Zeitpunkt die Abweichung de Drehzahl vom Sollwert der Gleichl.aufanordnung
ist. Die Bewegung der Tänzerwalze bzw. der von ihr zurückgelegte Weg entspricht
nicht der Abweichung der Drehzahl von ihrem Sollwert, sondern dem Integral dieser
Abweichung über die Dauer des Regelvorganges. Bei bekannten Reglern, bei denen Tänzerwalze
und Stellglied starr miteinander verbunden sind, folgt somit auch das Stellglied
diesem Gesetz. Schaltet man aber gemäß der Erfindung zwischen. Tänzerwalze und Stellglied
eine Dämpfungskupplung, so ist es der Differentialquotient der Wegdifferenz der
Tänzerwalze gegenüber ihrer Sollage, der den Weg des Stellgliedes bestimmt. Mit
anderen Worten wirkt auf das Stellglied eine Kraft, die in jedem Augenblick der
tatsächlichen Abweichung der Drehzahl von ihrem Sollwert proportional ist. In Verbindung
mit der bei der Schaltung der Fig. i aus der Feder 6 und der Dämpfungsbrern,se 7
bestehenden elastischen Rückführung erhält man auf diese Weise einen selbsttätigen
Regler, der als Schnellregler wirkt.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der angenommen
ist, daß ein (in der Zeichnung nicht dargestelltes) Differentialgetriebe als Meßwerk
für die Drehzahldifferenz der Gleichlaufanordnung verwendet wird. Die Differentialwel#le
io ist über Wirbelstrombrernsen i i und 12, denen ein geeignetes Getriebe 13 vor-,geschaltet
ist, mit der Reglerwelle 14 gekuppelt. Die gleiche Reglerwelle ist außerdem über
eine Spiralfeder 15 unter Zwischenschaltung eines Getriebes 16 an eine Wirbelstrombremse
17 angeschlossen.
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Bei der Regelanordnung der Fig. 2 ist somit der Grundgedanke der Schaltung
der Fig. i angewendet, nur mit dem Unterschied, daß die mechanischen Dämpfungsbremsen
der Anordnung nach Fig. i durch elektrische Wirbelstrombremsen ersetzt sind.
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An Stelle der in den Fig. i und 2 mit 7 bzw. 17 bezeichneten Dämpfungseinrichtungen
kann bei dem Regler nach der Erfindung die Rückführungskraft auch unabhängig von
dem Vorgang des Spa.nnens der Rückführungsfeder erzeugt werden. Die in den Fig.
i und -- angewandten Rückführungsmittel haben wie die Rückführungsmittel bekannter
Schnellregler die Eigenschaft, daß eine mechanische Dämpfungseinrichtung kraftschlüssig
mit der Rückführungsfeder verbunden ist, so daß ein unmittelbarer zwangläufiger
Zusammenhang zwischen dem Vorgang des Spanners der Rückführungsfeder und der Erzeugung
der erforderlichen Rückführungskraft gegeben ist. Gemäß der Erfindung wird gerade
für Gleichlauf-Regeleinrichtungen eine besonders vorteilhafte Reglerform erreicht,
wenn dieser Zusammenhang zwischen dein Spannen der Feder und der Erzeugung der Rückführungskraft
aufgehoben wird. Es läßt sich zeigen, daß ein Regler mit gleichen Eigenschaften
bezüglich der elastischen Rückführung dadurch erreicht wird, daß der Fußpunkt der
Rückführungsfeder unmittelbar mit dem Meßwerk für die Drehzahldifferenz der Gleichlaufanordnung
verbunden wird. Bei einem solchen Regler ist der Weg des Fußpunktes der Rückführungsfeder
jeweils dem Zeitintegral der Abweichung der Regelgröße von ihrem Sollwert proportional.
Diese Eigenschaft der Bewegung des Fußpunktes der Feder gibt die Gewähr dafür, daß
der Regler die gleichen schnell
regelnden Eigenschaften hat wie
ein Regler, der entsprechend den Fig. i und 2 mit einer mechanischen Dämpfungsbremse
ausgerüstet ist.
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Ein in dieser Weise ausgeführter Regler isst in Fig. 3 im Schaltbild
dargestellt. Die Reglersch-altung geht in diesem Falle von einer Gleichlauf-Regelanordnung
aus, bei der der Regler bzw. dessen Stellglied durch eine Tänzerwalze gesteuert
wird.. Die Tänzerwalze 40, über die beispielsweise die Stoffbahn einer Textilmaschine
läuft, ist über eine Dämpfungsbremse 41 mit dem Stellglied 42 des Reglers verbunden.
Insoweit stimmt die Re@gelanordnung mit derjenigen der Fig. i überein. Abweichend
von Fig. i ist die an das Stellglied 42 angeschlossene Reglerfeder 43 über eine
Hebelübersetzung 44 unmittelbar mit der Tänzerwalze 40 gekuppelt. Da die Tänzerwalze
4o die Eigenschaft hat, daß der von ihr zurückgelegte Weg nicht unmittelbar der
Differenz zwischen Istgröße und Sollgröße, sondern dem Integral der Abweichung der
Regelgröße von ihrem Sollwert proportional ist, bewegt sich auch der Fußpunkt der
Rückführungsfeder 43 proportional mit dem Integral der Abweichung der Regelgröße
von ihrem Sollwert. Die Schaltung der Fig.4 zeigt, daß man bei Anwendung dieser
Form der elastischen Rückführung für Gleichlauf-Regelanordnungen eine besonders
einfache Reglerschaltung erhält.
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Fi:g.4 zeigt die Anwendung der Schaltung der Fig. 3 für einte Gleichlauf-Regelanordnung,
bei der ein Teilmotor durch einen Kohledruckreglerr geregelt wird. Eine Triebwalze
53, welche mit einer Triebwalze 54 im Gleichlauf gehalten werden soll, wird von
einem Gleichstrommotor 55 angetrieben, in dessen Feldkreis ein Kohledruckregler
56 liegt. Das Stellglied des Reglers, in diesem Fall die Druckstange 57 des Kohledruckreglers,
steht auf zweierlei Weise mit der Tänzerwaalze 5o in Verbindung. Der an die Tänzerwalze
angelenkte Doppelhebel 58 überträgt seine Bewegungen einersei @ts über eine Dämpfungsbremse
51 und andererseits über eine Feder 52 auf die Druckstange 57 des Kohledru:ckregler:s..
Zweckmäßig sind Mittel vorgesehen, um die Dämpfungskraft der Bremse 51 und die Konstante
der Feder 52 einstellen zu können. Die Dämpfungsbremse 51 erhält zu dem Zweck ein
einstellbares Drosselventil 59, während der Angriffspunkt der Feder 52 an dem Hebel
58 verschiebbar ist.
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In Fig. 5 ist noch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei der ein elektrisches Differential für den Drehzahlvergleich verwendet wird.
Es isst angenommen, daß als Leitgröße für die Regelung der Drehzahleiner Gleichlaufanordnung
die Frequenz eines Wechselstromnetzes verwendet werden soll. Der Unterschied zwischen
der Drehzahl eines mit Netzfrequenz erregten Drehfeldes und der Drehzahl eines zu
regelnden Motors wird benutzt, um das Stellglied des Reglers, beispielsweise die
Bürstenbrücke des Motors, zu verstellen. Ein normaler Drehstromanker 2o wird über
Schleifringe 21 vom Netz gespeist und über eine veränderliche Übersetzung 22 mittels
Riementrieb 23 von der Motorwelle in entgegengesetzter Richtung des Drehfeldes um
die feste Welle 24 gedreht. Das magnetische Feld des Ankers 2o schließt sich über
ein Polrad 25, dessen Welle 26 sich frei drehen kann. Im Luftspalt des Drehstrom-Synchro,nmo;to@rs,
der im vorliegenden Falle als Meßwerk für die Drehzahldifferenz der Gleichlaufanordnung
dient, ist erfindungsgemäß eine Wirbelstromtromme127 eingeschoben, die sich um die
Welle 26 frei drehen kann. Die Trommel 27 dreht mit Hilfe der Schnursch.eiben 28
und 29 und eines unelastischen Riemens 3o die Verstellwelle 31 des Reglers. Auf
der Welle 26 des Polrades 25 ist eine kleine Schnurscheibe 32 befestigt, die mit
Hilfe eines elastischen Riemens 33 (Gummiriem,.en oder Spiralfederriemen) eine Schnurscheibe
34 dreht, welche ebenso wie die Scheibe 29 auf der Reglerwelle 31 befestigt ist.
Die Schnurscheiben 32 und 34 sind so konstruiert, daß der .elastische Riemen auf
ihnen nicht rutschen kann.
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Die Übersetzung der konischen Riemenscheibe 22 ist so gewählt, daß
sich der Anker 20 mit synchroner Drehzahl des Netzes dreht. Das in en.tgegen(gesetzter
Richtung umlaufende Drehfeld steht im Raum still, solange die Motordrehzahl mit
der Drehfelddrehzahl übereinstimmt. Dementsprechend bleibt auch das Polrad 25 mit
der Trommel 27 in Ruhe. Der Regler befindet sich im Gleichgewichtszustand. Ändert
sich wegen Belastung oder Spannungsänderung die Drehzahl dies Motors, dann dreht
sich das Magnetfeld proportional mit dem Drehzahlunterschied und nimmt das Polrad
25 Mit. Wegen der Wirbelstromwirkung wird auch die Trommel 27 mitgenommen und damit
die Ve.rstellwelle 31 des Reglers in Bewegung gesetzt. Wegen der verschiedenen Übersetzungen
zwischen den Scheiben 28, 29 und 32, 34 wird sich der elastische Riemen 33 spannen
und mit einem dauernd steigenden Moment auf die Trommel127 rückwirken. Wenn dieses
Federmoment gleich dem Dämpfungsmoment der Trommel 27 ist, wird diese stehenbleiben,
trotzdem sich die Welle 26 weiterdreht und langsam den elastischen Riemen 33 entspannt.
In dieser Zeit wird aber wegen der Verstellung der Welle 31 auch die Solldrehzahl
erreicht. Der Regler hat damit die Eigenschaft eines Schnellreglers, und Pendelungen
können nicht-auftreten.
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Ist ein kleiner Drehzahlunterschied vorhanden, so daß die Trommel
27 nicht von dem Polrad 25 mitgenommen wird, so wird sich nach einer Zeit der elastische
Riemen 33 spannen und die Welle 31 verstellen. Zweckmäßig wird bei 35 noch eine
zusätzliche und regelbare Reibung zwischen der Scheibe 28 und der Welle 26 vorgesehen,
damit das Reibungsmoment des durch die Welle 31 angetriebenen Reglers kompensiert
werden kann.
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Vergleicht man die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform der Erfindung
mit den Reglerschaltungen der Fig. 3, so ergibt sieh, daß auch bei der Ausführungsform
nach Fig.5 zwei Verbindungen zwischen dem Differential und der Reglerwelle bestehen.
Die eine Verbindung führt über eine
Dämpfungskupplung, nämlich die
Wirbelstromtrommel 27, die andere Verbindung führt über die Welle 26 des elektrischen
Differentials und den federnden Riementrieb 33.
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In Fig. 6 ist eine weitere Regelanordnung dargestellt, bei der der
Grundgedanke der Schaltung der Fig.3 für eine solche Gleichlauf-Regelanordnung angewendet
ist, bei der nicht eine Tänzerwalze, sondern ein Differentialgetriebe zur Reglerverstellung
dient. :In Fig.6 wird die Reglerwelle 61, beispielsweise die Antriebswelle für einen
Drehwiderstand oder die Achse eines Wälzreglers, auf zweierlei Weise von der dritten
Welle 6o eines Differentials angetrieben. Die Kraftübertragung von der Differentialwelle
6o auf die Reglerwelle 61 erfolgt einmal über die beiden Übersetzungsgetriebe 62
und 63 unter Zwischenschaltung einer Feder 6q.. Außerdem wird die Reglerwelle 61
von der Differentialwelle 6o über eine Dämpfungskupplung 65 angetrieben. Diese besteht
im wesentlichen aus Wirbelstrombremsen 66, welche über Getriebe 67 mit der Reglerwelle
61 verbunden sind. Durch eine Einstellschraube68 kann die Dämpfung der Wirbedstrombremse
verändert und dadurch der Regler abgestimmt werden. Die Regelanordnung der Fig.
6 hat ebenso wie die Regelanordnung der Fig. 5 die Eigenschaft, daß auf das Stellglied
der Gleichlauf-Regelanordnung von der Tänzerwalze bzw. dem dritten Glied des Differentials
eine Kraft übertragen. wird, die jeweils der Abweichung der Drehzahl der Gleichlaufanordnung
von ihrem Sollwert entspricht, und daß über die Reglerfeder auf das Stellglied zusätzlich
eine Rückführungskraft übertragen wird, die dem Integral der Abweichung der Drehzahl
von ihrem Sollwert proportional ist.
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Die in den Fig. i bis 6 dargestellten Regler sind nur als mögliche
Ausführungsformen der Erfindung anzusehen. Die an Hand der Fig. i und 4. erläuterten
Grundschaltungen von Gleichlauf-Regelanordnungen lassen sich in Anlehnung an bekannte
Regelanordnungen in der verschiedensten Form ausführen. Wesentlich ist in jedem
Fall, daß das Meßwerk für die Ermittlung der Drehzahldifferenz der Gleichlaufanordnung
derart mit dem Stellglied des Reglers verbunden ist, daß der Verstellweg dieses
Stellgliedes dem Differentialquotienten der Wegdifferenz des Meßwerkes gegenüber
seiner Sollage proportional ist und daß außerdem das Stellglied mit einer elastischen
Rückführung ausgerüstet ist. Diese Rückführung kann entweder die bekannte Form "entsprechend
dar Schaltung der Fig. i oder die an Hand der Fig. 3 erläuterte neue Form haben.
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Bei dem Schnellregler für Gleiclilaufanordnungen nach den Fvg. i und
2 der Erfindung kann es vorkommen, daß die Reglerwelle ein verhältnismäßig großes
Belastungsmoment aufweist und daß sich daher bei kleineren Drehzahlabweichungen
das Meßwerk für die Drehzahldifferenz bewegt, ohne da.ß die Reglerwelle verstellt
wird. Um das zu verhindern, wird erfindungsgemäß zwischen das Meßwerk für die Drehzahldifferenz
und das Stellglied des Reglers noch -eine Feder geschaltet. Diese Feder ist zu der
das Meßwerk mit dem Stellglied verbindenden Dämpfungskupplung parallel geschaltet.
Bei kleineren Abweichungen wird sich diese Feder langsam spannen und nach Erreichen
eines genügenden Momentes die Reglerwelle aus ihrer Ruhelage in Bewegung setzen.
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Der Regler nach der Erfindung läßt sich weiterhin dadurch verbessern,
daß ein Mittel vorgesehen wird, das dafür sorgt, daß die relative Lage der Teile
der Gleichlaufanordnung, deren Drehzahlen verglichen werden, stets die gleiche bleibt,
d. h. daß am Ende eines Regelvorganges die Tänzerwalze 3 der Reglerschaltung in
Fig. i immer die gleiche Lage erreicht. Gemäß der Erfindung wirkt zu dem Zweck auf
das Stellglied des Reglers eine Kraft bzw. ein Drehmoment ein, welche der Abweichung
der Tänzerwalze 3 bzw. Differentialwelle io von seiner Sollage proportional und
unabhängig von der Lage des Stellgliedes 5 bzw. Reglerwelle 14 ist. Diese Wirkung
läßt sich durch eine zusätzlich;. Anordnung erreichen, wie sie in Fig. 7 dargestellt
ist. Die Differentialwelle 70 ist hier zunächst, wie oben erläutert, durch
eine zusätzliche Feder 71 mit der Regl.erwelle 72 verbundien. Die Feder ; i ist
dabei zu der Dämpfungskupplung parallel geschaltet, die entsprechend der Schaltung
der Fig. i bzw. der Ausführungsform nach Fig. 2 zwischen Differentialwelle
70 und Reglerwelle 72 zu denken ist.
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Auf der Reglerwelle 72 ist nun noch ein Zahnrad 73 befestigt, das
mit einem Zahnsektor 74. im Eingriff steht. Dieser Zahnsektor ist um die Achse 75
drehbar und trägt einen Stift 76, der zweckmäßig unter Zwischenschaltung eines Kugellagers
77 fängs einer Schiene 78 verschiebbar ist. Die Schiene 78 besitzt ein gebogenes
Profil und wird an ihren beiden Enden durch Federn 79 und 8o gehalten. Durch passende
Form der Schiene 78 läßt ,es sich erreichen, daß das Moment der beiden Federn 79
und 8o auf den Zahnsektor 74. und damit auf die Reglerwelle 72 proportional mit
dem Drehwinkel dieser Reglerwelle ist, jedoch entgegengesetzt dem Moment der Feder
71.
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Bei der in F ig. 7 dargestellten zusätzlichen Anordnung wirken auf
die Reglerwelle zwei Kräfte. Die eine Kraft wird von der Feder 7i ausgeübt und hat
die Eigenschaft, daß sie gleich Null ist, wenn die Reglerwelle in ihrer Mittellage
und die Differentialwelle in ihrer Sollage steht. Die Kraft der Feder 71 hat außerdem
die Eigenschaft, daß sie proportional mit einer Veränderung der Relativlage iwischen
Reglerwelle und Differentialwelle zunimmt und eine solche Änderung rückgängig zu
machen sucht. Die zweite Kraft wird von der in Fig. 7 mit 74 bis 8o bezeichneten
Einrichtung erzeugt. Das hat die Eigenschaft, daß sie proportional mit einer Abweichung
der Reglerstellung von der Mittellage zunimmt. Nur wirkt sie im Gegensatz zu der
Kraft der Feder 7i im Sinne einer Vergrößerung dieser Abweichung. Wenn beide Kräfte
sich in gleichem Maße mit einer Lagenänderung der Reglerwelle bzw. allgemein mit
einer Änderung der Lage des Reglerstellgliedes
verändern, so wird
bei jeder Abweichung des Differentials von seiner Sollage der Antriebsmotor für
die geregelte Welle so lange im Sinne einer Drehzahlsenkung oder Erhöhung gesteuert,
bis die Sollage des Differentials wieder erreicht ist, bis also Unterschiede zwischen
den Stellungen der das Arbeitsgut fördernden Walzen beseitigt sind.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die in Fig. 7 zur Erzeugung der beiden-
zusätzlichen Kräfte vorgesehenen Teile durch andere "Teile ersetzt werden können,
wie sie aus der Reglertechnik an sich bekannt sind. Ihre Auswahl hängt von der Art
des jeweils verwendeten Reglers und insbesondere auch davon ab, ob .ein Regler mit
geradlinig verschiebbarem Stellglied oder ein Regler mit drehbarem Stellglied vorliegt.