DE975859C - Anordnung zur Messung von Drehzahl-Schlupf - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Messung des Drehzahl-Schlupfes zweier Wellen. Unter Drehzahl-Schlupf ist hierbei der Quotient aus der Drehzahldifferenz der beiden Wellen und der Drehzahl einer der beiden Wellen, der sogenannten Grunddrehzahl zu verstehen. Er wird meistens in Prozenten der Grunddrehzahl angegeben.

Für die Messung der Drehzahldifferenz ist es schon bekannt, von den beiden zu messenden Wellen zwei gleichartige einphasige Wechselstromgeber antreiben zu lassen und die Frequenz der dabei entstehenden Schwebungen zu messen. Ein solches Verfahren gestattet zwar sehr genau die Drehzahldifferenz zu bestimmen, ist aber nicht ohne weiteres geeignet, den Schlupf zu messen. Insbesondere besteht bei diesem bekannten Verfahren das Problem, daß einmal in der Nähe der Drehzahldifferenz Null die Schwebungsfrequenz sehr gering und daher eine Messung nicht leicht möglich ist und zum anderen nicht festzustellen ist, welche Welle die kleinere Drehzahl hat.

Durch die Erfindung wird unter Vermeidung der vorstehend angegebenen Nachteile das Schwebungsverfahren für die Messung von Drehzahl-Schlupf geeignet gemacht. Die Erfindung geht dementsprechend von einer Anordnung zur Messung von Drehzahl-Schlupf aus, bei der die Spannung zweier einphasiger Wechselstromgeber überlagert und die Frequenz der dabei erzeugten Schwebungsspannung gemessen wird. Sie besteht darin, daß die Wechselstromgeber durch Einschaltung von Übersetzungsgetrieben verschiedenen Übersetzungsverhältnisses oder durch Ausführung mit unterschiedlicher Polpaarzahl bei gleichen Drehzahlen

der zu messenden Wellen verschiedene Frequenzen erzeugen, die in einem " konstanten Verhältnis stehen, das größer ist als das größte vorkommende Drehzahlverhältnis der Wellen, und daß zur Anzeige der Quotient aus der Schwebungsfrequenz und einer der Absolutfrequenzen gebildet wird.

In nachstehendem sei im einzelnen die Arbeitsweise der Anordnung nach der Erfindung und ihre besonderen Eigenschaften an Hand der Abbildungen erläutert:

In Abb. ι ist entsprechend den bekannten Ausführungen die Schwebungsfrequenz in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz für zwei identische einphasige Wechselstromgeber dargestellt, die direkt auf den zu messenden Wellen sitzen und also Ströme liefern, deren Frequenz proportional der Drehzahl der zu messenden Wellen ist. Es bedeuten A₁ und A₂ die beiden zu messenden Wellen, N₁ und N₂ die dazugehörigen Drehzahlen, G₁ und G₂ die beiden Wechselstromgeber. K₁ (= JtN₁) ist die Frequenz des von G₁ gelieferten Stromes, wobei k ein Proportionalitätsfaktor ist; entsprechend ist ⁿ2 (⁼kN₂) die Frequenz des von G₂ gelieferten Stromes. In der danebenstehenden graphischen Darstellung ist auf der Abszisse die zu messende Drehzahldifferenz (2V₁- 2V₂) aufgetragen, auf der Ordinate die Schwebungsfrequenz (W₁-M₂). Man sieht, daß bei der Drehzahldifferenz Null auch die Schwebungsfrequenz gleich Null und damit eine genaue Anzeige in diesem Bereich sehr erschwert ist. Außerdem geht aus der Zeichnung hervor, daß die Anzeige keinen Aufschluß darüber gibt, welche der beiden Wellen die größere Drehzahl hat.

In Abb. 2 sind die Verhältnisse für den Fall dargestellt, daß, wie es die Erfindung vorschreibt, der Geber G₁ über ein Übersetzungsgetriebe Ü von der Welle A₁ angetrieben wird. Die Bezeichnungen und die Art der graphischen Darstellung sind die gleichen wie in Abb. 1. Das Übersetzungsgetriebe vergrößert die Frequenz Λ^Γ _Χ um den Faktor K^>k. Dann ist H₁ = K · N₁. Man ersieht aus der graphischen Darstellung, daß die Schwebungsfrequenz für den ganzen Meßbereich (durch gestrichelte Linien angedeutet) ansteigt und im Mittel größer ist als im Falle der Abb. 1 und daß insbesondere . auch für N₁-N₂ = Null, also die Drehzahldifferenz Null, eine bestimmte Schwebungsfrequenz erreicht wird, so daß unmittelbar festgestellt werden kann, welche der beiden Wellen die kleinere Dreh-So zahl hat.

An Stelle des Übersetzungsgetriebes kann auch dasselbe dadurch erreicht werden, daß der eine Geber eine größere Polpaarzahl erhält als der andere. In beiden Fällen wird die von diesem Geber gelieferte Frequenz mit einem festen Faktor multipliziert. Dieser Faktor ist so zu wählen, daß er größer ist als das größte vorkommende Drehzahlverhältnis der Wellen.

Als Stand der Technik ist zu erwähnen, daß es bei der Messung von absoluten Drehzahlen bereits bekannt ist, eine der Drehzahl proportionale Frequenz mit einer festen Frequenz zu mischen und diese feste Frequenz so niedrig zu legen, daß sie unterhalb des eigentlichen Meßbereiches liegt. Es handelt sich hier um eine Maßnahme, die der Unterdrückung des Nullpunktes, z. B. bei einer Spannungsmessung durch Gegenschaltung einer festen Spannung entspricht, um ein Meßinstrument mit entsprechend kleinem Meßbereich verwenden zu können. Die Differenzmessung von zwei veränderlichen Drehzahlen ist nicht die Aufgabe des bekannten Vorschlages.

Weiterhin ist es bei Reglern zur Einregelung einer Drehzahldifferenz, bei denen Wechselstromgeber dreiphasige Wechselströme erzeugen, die dem Stator und Rotor eines dreiphasigen Asynchronmotors zugeführt werden, bekannt, durch eine Übersetzung den Stator von der zu messenden Welle anzutreiben. Das geschieht, weil in Asynchronmotoren das Drehmoment beim Stillstand in unregelmäßiger Weise mit der Lage des Läufers im Verhältnis zum Ständer schwankt und in gewissen Punkten sogar im entgegengesetzten Sinn wie das normale wirken kann. Da die Bewegung des Rotors als Verstellbewegung für den Regel-Vorgang ausgenutzt wird, würde das zu Störungen führen, die durch die Drehung des Stators ausgeschaltet werden. Es wird also nicht wie bei der Erfindung einer von zwei von der zu messenden Welle angetriebenen Wechselstromgebern mit einer vom anderen Geber unterschiedlichen Übersetzung angetrieben, sondern es wird von dem im Prinzip als Anzeigeinstrument dienenden Asynchronmotor der sonst ruhende Stator zusätzlich über eine Übersetzung in Drehung versetzt. Demnach liegt sowohl in bezug auf die Problemstellung als auch auf die Lösung ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Erfindungsvorschlag vor. Ein ebensolcher Unterschied in der Problemstellung besteht bei einer anderen bekannten Anordnung, bei der ebenfalls die Drehzahlen zweier Wellen über von Wechselstromgebern abgegebene dreiphasige Wechselströme verglichen werden, die den beiden Seiten eines Asynchronmotors zugeführt werden. In diesem Fall ersetzt der Asynchronmotor ein i°5 mechanisches Differential. Die gewünschte Drehzahldifferenz zwischen den beiden Wellen wird durch eine gesondert angetriebene Maschine erzeugt und diese mit der vom Differential, d. h. von dem Asynchronmotor erzeugten Drehzahl verglichen. ¹¹Q Im Bereich niedriger Drehzahlen ist aber die Verwendung der Vergleichsmaschine schlecht möglich, weil diese nur in einem bestimmten höheren Drehzahlbereich einwandfrei arbeitet. Daher wird durch eine elektrische Übersetzung, indem Ständer und "5 Läufer des Asynchronmotors verschiedene Polzahl erhalten, die Vergleichsdrehzahl für die Differenzdrehzahl in dem elektrischen Differential erhöht. Auch bei dieser Einrichtung treten die für die Messung der Schwebungsfrequenz gemäß der Erfindung auftretenden Probleme nicht auf. Dafür tritt aber bei der Anordnung nach der Erfindung ein anderes Problem auf. Da bei gleicher Drehzahl der Wellen die Geber mit verschiedenen in einem konstanten Verhältnis stehenden Drehzahlen angetrieben werden, ändert sich die Schwebungsfrequenz mit der

absoluten Drehzahl der Wellen. Die Schwebungsfrequenz ist also kein eindeutiges Maß für die Drehzahldifferenz der Wellen. Eine direkte eindeutige Anzeige für den Schlupf ergibt sich aber trotzdem, wenn entsprechend dem Vorschlag der Erfindung der Quotient aus der Schwebungsfrequenz und einer der Absolutfrequenzen gebildet wird. Dies kann in üblicher Weise durch ein Quotientenmeßgerät geschehen.

ίο Um eine solche Messung durchzuführen, ist es am zweckmäßigsten, die Frequenz in einen entsprechenden Stromwert, insbesondere einen Gleichstromwert, umzuwandeln. Hierfür eignet sich besonders das sogenannte Kondensatorumladeverfahren, das im einzelnen an Hand der Abb. 3 beschrieben sei. ι und 2 bedeuten die beiden auf den zu messenden Wellen sitzenden Wechselstromgeber. Im Stromkreis 3 überlagern sich die von ihnen abgegebenen Ströme, werden im Gleichrichter 4 gleichgerichtet und danach der Spule 5 des Relais R zugeführt. In der Spule 5 fließt nun ein Strom, dessen Spannung im Takte der Schwebungsfrequenz schwankt. (Die Grundfrequenzen sind vorher weitgehend ausgesiebt worden, z. B. durch den Kondensator 6.) Ebenso bewegt sich der Relaisanker 8 im Takte der Schwebungsfrequenz und steuert dadurch den von der Gleichstromquelle 9 gelieferten Strom, so daß im Takte der Schwebungsfrequenz ein Kondensator 17 periodisch geladen und entladen wird. Diese Lade- und Entladestromstöße werden im Gleichrichter 10 gleichgerichtet und ihre Frequenz in dem Anzeigegerät 11 angezeigt.
Bei einer solchen Anordnung können sich Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß die von dem Wechselstromgeber gelieferte Spannung mit der Drehzahl wächst. Da das Relais aber für eine feste Erregung eingerichtet ist, erfolgt der Übergang des Relaisankers 8 von dem einen Kontakt zu dem anderen zu unterschiedlichen Zeiten innerhalb einer Schwebung. Die Lade- und Entladezeiten des Kondensators 17 werden also je nach dem Frequenzbereich, in dem man arbeitet, in einem ganz verschiedenen Verhältnis stehen. Um dies zu vermeiden, ist gemäß einer Ausgestaltung "der Erfindung eine zusätzliche Relaiswicklung 12 vorgesehen, die von dem Geber 1 über den Gleichrichter 7 gespeist wird und gegensinnig zur Spule 5 wirkt. Die Wirkungsweise sei im einzelnen an Hand der Abb. 4 erläutert. Dort ist die durch die gleichgerichtete Schwebungsspannung erzeugte Erregung des Relais als Funktion der Zeit aufgetragen. Das Relais ohne Zusatzwicklung spreche bei der Erregung O₁ an. Bei einem gewissen Drehzahlbereich, für den der Verlauf der Erregung im Bereich I der Zeichnung dargestellt ist, werden dann die Zeiten des Ladens bzw. Entladens des Kondensators 17 gleich sein. Der Zeitpunkt des Ladebeginns ist mit L bezeichnet, der Zeitpunkt des Entladebeginns mit E.

Die Zeitdauer des Ladens und Entladens ist für diesen Fall durch die darunterstehenden Strecken angedeutet. Es bedeutet L₀= Zeit des Ladens bei Anordnung ohne Zusatzwicklung und E₀ = Zeit des Entladens bei Anordnung ohne Zusatzwicklung. Bei größerer Drehzahl vergrößert sich die Amplitude der Schwebung (Bereich II der Zeichnung). Beginn des Ladens und Entladens sowie die Dauer der Ladung und Entladung sind wieder durch punktierte Strecken gekennzeichnet. Man sieht, daß die Zeit der Entladung im Vergleich zur Zeit der Ladung nur klein ist. Bei weiterer Erhöhung der Drehzahl (Bereich III) werden die Verhältnisse noch ungünstiger.

Nimmt man jedoch durch die Zusatzwicklung 12 von dem einen der Geber eine der Erregung durch die Schwebungsspannung entgegenwirkende Erregung b des Relais ab, die proportional mit der Drehzahl steigt, sie ist in der Zeichnung durch die ausgezogenen Parallelen zur Abszisse dargestellt, dann lassen sich die Verhältnisse in bezug auf die Zeiten des Ladens und Entladens ganz wesentlich verbessern. Die Ansprecherregung des Relais sei in diesem Fall o₂, so daß bei den im Bereich I dargestellten Verhältnissen die Zeitdauer des Ladens und Entladens wieder gleich ist. Die Zeiten des Ladens und Entladens sind für eine solche Anordnung mit Zusatzwicklung durch die mit L_m bzw. E_m bezeichneten ausgezogenen Strecken dargestellt. Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß auch in den Bereichen II und III nahezu die gleichen Ladungs- und Entladungszeiten wie im Bereich I erreicht werden. Das mit der Zusatzwicklung 12 versehene Gerät ist also für größere Drehzahlbereiche verwendbar als ein solches Gerät ohne Zusatzwicklung.

In der Schaltung Abb. 3 ist lediglich gezeigt, wie die Schwebungsfrequenz in eine entsprechende Gleichstromgröße umgewandelt werden kann. Entsprechend dem Vorschlag der Erfindung wird nun nicht diese Schwebungsfrequenz und damit die erzeugte Gleichstromgröße direkt angezeigt, sondern der Quotient aus der Schwebungsfrequenz und einer der Absolutfrequenzen. Es tritt also an Stelle des Meßinstrumentes 11 der Abb. 3 bei der Verwirklichung der Erfindung ein Quotientenmeßgerät, dem außerdem noch eine elektrische Größe zugeführt wird, welche der Frequenz der Grunddrehzahl, also eines der beiden Wechselstromgeber 1 oder 2 entspricht. Am einfachsten wird dies dadurch verwirklicht, daß an Stelle des Anzeigeinstrumentes 11 die eine Wicklung eines Kreuz-Spulinstrumentes tritt, dessen andere Wicklung von der Grunddrehzahl erregt wird.

Eine solche Schaltung ist als Ausführungsbeispiel in Abb. 5 dargestellt. 1 und 2 sind wieder die beiden Drehzahlgeber, mit F ist eine Einrichtung zur Umwandlung der Schwebungsfrequenz in einen Gleichstrom dargestellt, z. B. kann dafür eine nach Abb. 3 verwendet werden. Der Ausgang dieser Einrichtung wird der einen Spule eines Kreuzspulinstrumentes 16 zugeführt, während die andere Spule dieses Kreuzspulinstrumentes unmittelbar von der gleichgerichteten Spannung eines der Geber beaufschlagt wird. Hierbei ist in den Stromkreis ein Widerstand 18 zur Begrenzung des Stromes eingeschaltet. Das Kreuzspulmeßgerät zeigt dann unmittelbar den Schlupf an.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Anordnung zur Messung von Drehzahl-Schlupf, bei der die Spannung zweier ■ einphasiger Wechselstromgeber überlagert und die Frequenz der dabei erzeugten Schwebungsspannung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromgeber durch Einschaltung von Übersetzungsgetrieben verschiedenen Übersetzungsverhältnisses oder durch Ausführung mit unterschiedlicher Polpaarzahl bei gleichen Drehzahlen der zu messenden Wellen verschiedene Frequenzen erzeugen, die in einem konstanten Verhältnis stehen, das größer ist als das größte vorkommende D rehzahl verhältnis der Wellen, und daß zur Anzeige der Quotient aus der Schwebungsfrequenz und einer der Absolutfrequenzen gebildet wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Messung der Schwebungsfrequenz mittels eines relaisgesteuerten Stromkreises dem Relais eine Zusatzerregung überlagert wird, die proportional der Drehzahl und entgegengesetzt zur Erregung durch die Schwebungsspannung ist, insbesondere durch Speisung einer Zusatzwicklung durch einen der beiden Geber.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 114 308, 325494, 929, 621 438, 856 336;

   deutsche Patentanmeldung S 10049 VIIId/21c (bekanntgemacht am 2. 7. 1953);

   britische Patentschrift Nr. 626 700;

   USA.-Patentschrift Nr. 2 602 837;

   Vilbig, »Fortschritte der Hochfrequenztechnik«, 1943, Bd. 2, S. 320/321, Akademische Verlagsgesellschaft Becker & Erler K-G., Leipzig.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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