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Drehzahlregeleinrichtung für Drehstromnebenschlussmotoren Um wirtschaftlich fertigen zu können, werden bei modernen Fabrikationsmaschinen immer höhere Arbeitsgeschwindigkeiten angestrebt. Ausserdem ist bei vielen Arbeitsmaschinen, wie Textil- und Papiermaschinen, Zeugdruckmaschinen, Kalandern, Wasch- und Färbmaschinen, Rotationsdruckmaschinen u. dgl. im allgemeinen ausser der normalen Arbeitsgeschwindigkeit auch noch eine niedrige Hilfsgeschwindigkeit auch noch eine niedrigere Hilfsgeschwindigkeit zum Einrichten der Maschine bzw. zum Einziehen der Warenbahn erforderlich.
Diese Hilfsgeschwindigkeit ist meist 1/25 oder 1/50 der maximalen Arbeitsgeschwindigkeit. Darüberhinaus wird gefordert dass die Arbeitsgeschwindigkeit in gewissen Grenzen veränderbar ist. Das Gegenmoment der Arbeitsmaschine ist meist nicht konstant, sondern es kann vielmehr in sehr weiten Grenzen je nach Warenzug, Breitstreckung, Anpressdruck von Transport- und Druckwalzen u. dgl. schwanken.
Zum Antrieb derartiger Arbeitsmaschinen werden häufig Drehstromnebenschlussmotoren mit weitem Drehzahlsteuerbereich eingesetzt. Die Drehstromne- benschlussmotoren haben jedoch die Eigenschaft, dass mit zunehmendem Belastungsmoment die Motordrehzahl etwas abfällt, wie Fig. 1 zeigt. Dies wirkt sich insbesondere bei den niedrigen Drehzahlen nachteilig aus. In F:ig. 1 entspricht jede Kennlinie einer bestimmten Bürstenbrückenstellung. Die Kennlinie 1/25 beispielsweise gibt die Charakteristik eines Motors mit einem Drehzahlbereich von 1/25 für die unterste Bürstenbrückenstellung wieder.
Wie eingangs erwähnt, benötigen verschiedene Arbeitsmaschinen ein unterschiedlich grosses An- triebsmoment, das der Motor aufbringen muss. Dieses hängt beispielsweise bei Zeugdruckmaschinen von der Zahl der Druckwalzen und deren Anpressdruck ab. Die Einziehgeschwindigkeit soll aber unabhängig vom Belastungsmoment möglichst immer die gleiche Höhe haben, ohne dass eine Nachstellung der Drehzahl durch das Bedienungspersonal erforderlich wird.
Bei einer bekannten Drehzahl\regeleinrichtung für Dreh- stromnebenschlussmotoren wird zur Konstanthaltung der Drehzahl in einem elektrischen Differential eine vorgegebene Solldrehzahl mit der tatsächlichen Istdrehzahl verglichen und die der Drehzahldifferenz entsprechende Spannung zur Beeinflussung eines Hilfsmotors herangezogen, der die Bürstenbrücke so verstellt, dass die Drehzahldifferenz verschwindet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung für Drehstromnebenschluss- motoren, insbesondere für Arbeitsmaschinen, bei denen ausser einer regelbaren normalen Arbeitsge- scliwindigkeit auch noch eine niedrige Hilfsgeschwindigkeit erforderlich .ist.
Gemäss der Erfindung kann für eine solche Drehzahlregeleinrichtung eine wesentliche Verbesserung insbesondere hinsichtlich der Regeldynamik dadurch erreicht werden, dass das verwendete elektrische oder mechanische Differential zum Vergleich einer vorgegebenen Solldrehzahl mit der tatsächlichen Istdmehzahl unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Hilfsmotors auf die Bürstenverstellwelle einwirkt.
Durch eine derartige Massnahme wird weiter Raum an der Maschine selbst eingespart, der für andere Zwecke, z. B. für eine Geschwindigkeitsmess- einrichtung, benutzt werden kann. Das elektrische
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oder mechanische Differential ist zweckmässigerweise direkt am Drehstromnebenschlussmotor angebaut und mit der Bürstenverstellwelle gekuppelt. Vorzugsweise wird der Istwert der Drehzahl dem Sekundärkreis des Motors entnommen, während der Sollwert der Drehzahl mit Hilfe von asynchronen oder synchronen Motoren gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes gebildet wird.
Bei Verwendung eines elektrischen Differentials kann der dem Sekundärkreis des Motors entnommene Istwert unmittelbar dem Differential zugeführt werden, während der Sollwert der Drehzahl über einen synchronen oder asynchronen Drehzahlgeber dem elektrischen Differential zugeführt wird. Bei Verwendung eines mechanischen Differentials wird der dem Sekundärkreis des Motors entnommene Istwert mit Hilfe eines asynchronen oder synchronen Motors auf das mechanische Differential gegeben.
Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Drehzahlregeleinrichtung mit Hilfe eines elektrischen und eines mechanischen Differentials dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Anordnung bei Verwendung eines elektrischen Differentials. Mit 1 ist ein läufergespeister Drehstromneben- schlussmotor bezeichnet, der eine an sich bekannte Bürstenverstelleinrichtung 2 aufweist. Mit 3 ist die Ständerwicklung und mit 4 die mit der Ständerwick- lung 3 elektrisch verbundenen Bürsten bezeichnet. Der Motor 1 wird über Schleifringe 5 läuferseitig eingespeist. Die Bürstenbrücke kann mit Hilfe der Bür- stenverstellwelle 6 eingestellt werden. Diese ist mit dem Läufer des elektrischen Differentials 7 vorzugsweise über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Rutschkupplung verbunden.
Das elektrische Differential 7 wird läuferseitig vom Ständer des Dreh- stromnebenschlussmotors und ständerseitig von einem Sollwertgeber 8 eingespeist, welcher ständer- seitig mit dem Drehstromnetz in Verbindung steht. Der Sallwertgeber 8 kann beispielsweise ein Schleifringläufer oder ein Synchronmotor sein. Der Läufer des Sollwertgebers 8 wird über ein verstellbares Getriebe 9 von einem Motor 10, der je nach der gewünschten Genauigkeit ein normaler Kurzschluss- läufermotor oder ein Synchronmotor sein kann, angetrieben.
Ein Synchronmotor wird dann eingesetzt, wenn eine sehr hohe Genauigkeit der Einziehdreh- zahl gefordert wird und Lastunterschiede durch unterschiedliche Belastung dieses Motors mit dem Getriebe und dem Sollwertgeber ausgeschaltet werden sollen.
Die Wirkungsweise ergibt sich wie folgt: Wie bereits eingangs erwähnt, wird bei derartigen Antrieben verlangt, dass die Geschwindigkeit unabhängig vom Belastungsmoment immer die gleiche Höhe haben soll, ohne dass eine Nachstellung der Drehzahl durch die Bedienungsperson erforderlich wird.
Beim läufergespeisten Drehstromnebenschluss- motor sind folgende physikalischen Zusammenhänge von Interesse: Die Primärwicklung im Läufer wird mit Netzspannung gespeist, die im allgemeinen eine Frequenz f1 von 50 Hz hat. In der Sekundärwicklung des Ständers wird eine Spannung mit der Frequenz f, induziert. Die Motordrehzahl ergibt sich dann
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wobei p die Polpaarzahl des Motors bedeutet.
Das Konstanthalten der Drehzahl lässt sich demnach auf ein Konstanthalten der Sekundärfrequenz zurückführen. Mit Hilfe des Untersetzungsgetriebes 9 wird die Drehzahl festgelegt. Bei einem Geschwindigkeitsbereich von z. B. 1:25 und einer maximalen Motordrehzahl von 2300 U/min. ergibt sich als unterste Drehzahl 90 U/min. Bei einer vierpoligen Maschine ist hierbei die Frequenz im Sekundärkreis 47 Hz. Der Sollwertgeber 10 gibt über die Untersetzung 9 dem Differential 7 eine Drehzahl vor, die 47 Hz entspricht. Wenn die eintreibenden Drehzahlen am Differential übereinstimmen, steht dessen austreibende Welle still.
Weicht die Istdrehzahl somit von der Drehzahl des Sollwertgebers ab, so verdreht die austreibende Welle des Differentials 7 der Bürstenbrücke am Kommuta- tormotor. Die Verdrehung erfolgt solange, bis die vorgegebene Drehzahl erreicht ist. Es wird somit eine integralwirkende Regelung erreicht. Wenn das Los- brechmoment für die Arbeitsmaschine grösser ist als dasAnfahrmoment des Drehstromnebenschlussmotors bei seiner untersten Bürstenbrückenstellung, wird die Bürstenbrücke solange verstellt, bis das Anfahrmo- ment über dem Losbrechmoment liegt.
Der Motor läuft sodann hoch, bis die vom Sollwertgeber vorgegebene Geschwindigkeit erreicht ist.
Der Drehstromnebenschlussmotor kann auf diese Weise voll regelbar ausgeführt werden, so dass eine Drehzahländerung von 0 bis zur maximalen Drehzahl möglich ist. Als elektrisches Differential kann ein Schleifring- läufermotor mit vorzugsweise einer Übersetzung von 1:1 zwischen Ständer und Läufer verwendet werden. Unter Umständen kann es zweckmässig sein, dass das elektrische Differential läuferseitig vom Ständer des Drehstromnebenschlussmotors über einen Anpassungstransformator gespeist wird. Das gleiche gilt für die ständerseitige Speisung des elektrischen Differentials.
In vielen Fällen ist eine Regelung der Drehzahl nur im unteren Bereich erforderlich. Zum betriebs- mässigen Einstellen einer beliebigen Arbeitsgeschwindigkeit kann das elektrische Differential 7 sodann als Asynchronmotor mit Schlupfwiderständen betrieben werden. Hierbei müssen der Sollwertgeber 8 und der Anschluss zum Sekundärkreis des Drehstromneben- schlussmotors 1 abgeschaltet werden. Um kleinere Verstellgeschwindigkeiten für die betriebsmässige Verstellung der Bürstenbrücke zu erzielen, kann der
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Ständer des Differentials polumschaltbar ausgeführt werden.
Ferner kann das elektrische Differential zur Einstellung einer beliebigen Arbeitsgeschwindigkeit auf den Sekundärkreis des Motors 8 geschaltet werden. Weiter kann das Differential 7 z. B. mit der Läuferwicklung an das Drehstromnetz mit 50 Hz und die Ständerwicklung an den Sollwertgeber 8 angeschlossen werden. Die Drehzahl bzw. Verstellgeschwindig- keit entspricht dann der Differenzialfrequenz zwischen Netzfrequenz und Frequenz vom Geber B. Da die Untersetzung am Geber 8 betriebsmässig zwischen 47 und 48,5 Hz liegt, wird automatisch eine sehr kleine Geschwindigkeit erreicht.
Mit dem Drehstromnebenschlussmotor wird eine ausserordentlich wirksame Bremsung durch generato- rischen Betrieb erzielt. Dieser Betriebszustand wird erreicht, wenn die an der Bürstenbrücke eingestellte Drehzahl kleiner ist als die tatsächliche Motordrehzahl. Um kurze Bremszeiten zu erhalten, muss die Bürstenbrücke sehr schnell in Richtung kleinerer Drehzahl verstellt werden. Dadurch arbeitet der Kom- mutatormotor als Generator und liefert die in der Arbeitsmaschine und dem Motor gespeicherte kinetische Energie in das Netz zurück. Die Bremszeit, die beim Drehstrom-Nebenschlussmotor mit der erfin- dungsgemässen Anordnung erzielt werden kann, liegt bei ca. 1 sec.
In ähnlicher Weise ist ein schnelles Herabfahren auf die Einziehdrehzahl möglich. Die Regelung sorgt dafür, dass die vorgegebene Einziehge- schwindigkeit aufrecht erhalten wird. Fig. 3 zeigt eine Drehzahlregeleinrichtung mit Hilfe eines mechanischen Differentials, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet sind.
Gegenüber der Ausführung mit elektrischen Differential ist hier die Bürstenverstellwelle 6 mit dem Gehäuse eines mechanischen Differentials 11 verbunden. Der Sollwert wird mit Hilfe einer Synchronmaschine 12, die vom Drehstromnetz gespeist wird, vorgegeben. Zwischen dem Sollwertgeber 12 und dem Planetenrad 13 des mechanischen Differentials 11 ist eine einstellbare Untersetzung 14 eingeschaltet. Mit Hilfe der Untersetzung kann die Drehzahl vorgegeben werden. An dem Sekundärkreis des Drehstromneben- schlussmotors 1 ist ein Istwertgeber 15 angeschlossen, der das zweite Planetenrad 16 des mechanischen Differentials antreibt.
Bei einer Abweichung der Solldrehzahl von der Istdrehzahl wird das Gehäuse des Differentials 11 und damit die Bürstenverstellwelle 6 solange verstellt, bis beide Drehzahlen gleich sind.
Die Anordnung kann auch zur betriebsmässigen Drehzahleinstellung mit kleiner Verstellgeschwindig- keit verwendet werden. Hierzu wird der Istwertgeber 15 vom Sekundärkreis des Drehstromnebenschluss- motors 1 abgetrennt und an das Drehstromnetz angeschlossen. Da dem Planetengrad 13 das Untersetzungsgetriebe 14 vorgeschaltet :ist, stimmen die Drehzahlen der Planetenräder 13 und 16 nicht überein, so dass das Gehäuse des Differentials 11 mit einer konstanten niedrigen Geschwindigkeit angetrieben wird. Die Bürstenbrücke wird hierdurch solange verstellt, solange die Geber 12 und 15 am Netz liegen.
Durch Umpolung der Geber kann die Drehrichtung für die Bürstenbrücke ohne weiteres umgekehrt werden.
Zur schnellen Verstellung der Bürstenbrücke und damit generatorischen Bremsung des Drehstrom- nebenschlussmotors 1 wird der Geber 15 stillgesetzt und abgebremst. Mit Hilfe des Sollwertgebers 12 wird nun die Bürstenbrücke schnell verstellt, da zwischen der Welle des Gebers 12 und der Bürstenverstellwelle 6 nur eine kleine Untersetzung wirksam ist.
Weitere Verstellgeschwindigkeiten für die Bürstenbrücke können noch dadurch erreicht werden, dass die. Gebermaschinen 12 und 15 polumschaltbar ausgeführt sind. Ferner ist es möglich, dass bei beliebiger Arbeitsgeschwindigkeit der Istwertgeber 15 an die Sekundärspannung des Drehstromnebenschlussmotors geschaltet wird und der Sollwertgeber 12 an die Netzspannung. Die Bürstenbrücke wird hierbei in Richtung der Einziehungsgeschwindigkeit solange verstellt, bis die Drehzahlen der Geber 12 und 15 übereinstimmen.
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Speed control device for three-phase shunt motors In order to be able to manufacture economically, modern manufacturing machines strive for ever higher working speeds. In addition, many work machines, such as textile and paper machines, stuff printing machines, calenders, washing and dyeing machines, rotary printing machines, etc. Like. In general, in addition to the normal working speed, a low auxiliary speed and a lower auxiliary speed are also required for setting up the machine or for drawing in the web of material.
This auxiliary speed is usually 1/25 or 1/50 of the maximum working speed. In addition, it is required that the working speed can be changed within certain limits. The counter-torque of the working machine is usually not constant, but rather it can, within very wide limits, depending on the tension of the goods, spreading, contact pressure of transport and pressure rollers and the like. like fluctuate.
Three-phase shunt motors with a wide speed control range are often used to drive such work machines. The three-phase shunt motors, however, have the property that the motor speed drops somewhat as the load torque increases, as FIG. 1 shows. This has a disadvantageous effect, especially at the low speeds. In F: ig. 1, each characteristic corresponds to a specific brush bridge position. The characteristic curve 1/25, for example, shows the characteristics of a motor with a speed range of 1/25 for the lowest brush bridge position.
As mentioned at the beginning, different work machines require a different drive torque that the motor has to generate. With stuff printing machines, for example, this depends on the number of pressure rollers and their contact pressure. The pull-in speed should, however, always be the same, regardless of the load moment, without the need for the operator to adjust the speed.
In a known speed control device for three-phase shunt motors, in order to keep the speed constant in an electrical differential, a specified target speed is compared with the actual actual speed and the voltage corresponding to the speed difference is used to influence an auxiliary motor which adjusts the brush bridge so that the speed difference disappears.
The present invention relates to a speed control device for three-phase shunt motors, in particular for work machines, in which, in addition to a controllable normal working speed, a low auxiliary speed is also required.
According to the invention, a significant improvement, in particular with regard to the control dynamics, can be achieved for such a speed control device in that the electrical or mechanical differential used for comparing a predetermined target speed with the actual actual speed directly, ie. H. acts on the brush adjustment shaft without the interposition of an auxiliary motor.
Such a measure further saves space on the machine itself, which is used for other purposes, e.g. B. for a speed measuring device can be used. The electric
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or mechanical differential is expediently attached directly to the three-phase shunt motor and coupled to the brush adjustment shaft. The actual value of the speed is preferably taken from the secondary circuit of the motor, while the setpoint value of the speed is formed with the aid of asynchronous or synchronous motors, if necessary with the interposition of a reduction gear.
When using an electrical differential, the actual value taken from the secondary circuit of the motor can be fed directly to the differential, while the setpoint value of the speed is fed to the electrical differential via a synchronous or asynchronous speed sensor. When using a mechanical differential, the actual value taken from the secondary circuit of the motor is transferred to the mechanical differential with the aid of an asynchronous or synchronous motor.
The invention is explained in more detail with reference to the drawing, in which exemplary embodiments of the speed control device are shown with the aid of an electrical and a mechanical differential.
Fig. 2 shows the basic structure of the arrangement when using an electrical differential. A rotor-fed three-phase shunt motor is denoted by 1, which has a brush adjustment device 2 known per se. 3 denotes the stator winding and 4 denotes the brushes electrically connected to the stator winding 3. The motor 1 is fed in via slip rings 5 on the rotor side. The brush bridge can be adjusted with the aid of the brush adjustment shaft 6. This is connected to the rotor of the electrical differential 7, preferably via a slip clutch not shown in the drawing.
The electrical differential 7 is fed in on the rotor side from the stator of the three-phase shunt motor and on the stator side from a setpoint generator 8 which is connected to the three-phase network on the stator side. The Sallwertgeber 8 can for example be a slip ring rotor or a synchronous motor. The rotor of the setpoint generator 8 is driven via an adjustable gear 9 by a motor 10 which, depending on the desired accuracy, can be a normal squirrel cage motor or a synchronous motor.
A synchronous motor is used when a very high accuracy of the pull-in speed is required and load differences due to different loads on this motor with the gearbox and the setpoint generator are to be eliminated.
The mode of operation is as follows: As already mentioned at the beginning, it is required with drives of this type that the speed should always be the same regardless of the load torque, without the operator having to adjust the speed.
In the case of rotor-fed three-phase shunt motors, the following physical relationships are of interest: The primary winding in the rotor is fed with mains voltage, which generally has a frequency f1 of 50 Hz. A voltage with frequency f i is induced in the secondary winding of the stator. The engine speed is then obtained
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where p is the number of pole pairs of the motor.
Keeping the speed constant can therefore be attributed to keeping the secondary frequency constant. With the help of the reduction gear 9, the speed is determined. At a speed range of e.g. B. 1:25 and a maximum engine speed of 2300 rpm. the lowest speed is 90 rpm. In the case of a four-pole machine, the frequency in the secondary circuit is 47 Hz. The setpoint generator 10 specifies a speed via the reduction ratio 9 for the differential 7 which corresponds to 47 Hz. If the driving speeds on the differential match, the driving shaft is standing still.
If the actual speed thus deviates from the speed of the setpoint generator, the driving shaft of the differential 7 of the brush bridge on the commutator motor rotates. The rotation continues until the specified speed is reached. An integral regulation is thus achieved. If the breakaway torque for the driven machine is greater than the starting torque of the three-phase shunt motor in its lowest brush bridge position, the brush bridge is adjusted until the starting torque is above the breakaway torque.
The motor then runs up until the speed specified by the setpoint generator is reached.
In this way, the three-phase shunt motor can be designed to be fully controllable, so that a speed change from 0 to the maximum speed is possible. A slip ring motor with preferably a ratio of 1: 1 between stator and rotor can be used as the electrical differential. Under certain circumstances, it can be useful for the electrical differential to be fed on the rotor side from the stator of the three-phase shunt motor via a matching transformer. The same applies to the supply of the electrical differential on the stator side.
In many cases it is only necessary to regulate the speed in the lower range. For operational setting of any desired working speed, the electrical differential 7 can then be operated as an asynchronous motor with slip resistances. Here, the setpoint generator 8 and the connection to the secondary circuit of the three-phase shunt motor 1 must be switched off. In order to achieve lower adjustment speeds for the operational adjustment of the brush bridge, the
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Stand of the differential are designed to be pole-changing.
Furthermore, the electrical differential can be switched to the secondary circuit of the motor 8 for setting any desired operating speed. Next, the differential 7 z. B. can be connected with the rotor winding to the three-phase network with 50 Hz and the stator winding to the setpoint generator 8. The speed or adjustment speed then corresponds to the differential frequency between the mains frequency and the frequency of encoder B. Since the reduction at encoder 8 is between 47 and 48.5 Hz during operation, a very low speed is automatically achieved.
With the three-phase shunt motor, extremely effective braking is achieved through generator operation. This operating state is reached when the speed set on the brush bridge is lower than the actual motor speed. In order to achieve short braking times, the brush bridge must be adjusted very quickly towards a lower speed. As a result, the commutator motor works as a generator and returns the kinetic energy stored in the machine and the motor to the network. The braking time that can be achieved with the three-phase shunt motor with the arrangement according to the invention is approx. 1 sec.
In a similar way, it is possible to quickly reduce the pull-in speed. The regulation ensures that the specified retraction speed is maintained. FIG. 3 shows a speed control device with the aid of a mechanical differential, the same parts being denoted by the same reference numerals as in FIG.
In contrast to the version with an electrical differential, the brush adjusting shaft 6 is connected to the housing of a mechanical differential 11. The setpoint is specified with the aid of a synchronous machine 12, which is fed from the three-phase network. An adjustable reduction ratio 14 is switched on between the setpoint generator 12 and the planetary gear 13 of the mechanical differential 11. The speed can be specified with the aid of the reduction. An actual value transmitter 15, which drives the second planetary gear 16 of the mechanical differential, is connected to the secondary circuit of the three-phase shunt motor 1.
If the target speed deviates from the actual speed, the housing of the differential 11 and thus the brush adjusting shaft 6 are adjusted until both speeds are equal.
The arrangement can also be used for normal operating speed setting with a low adjustment speed. For this purpose, the actual value transmitter 15 is separated from the secondary circuit of the three-phase shunt motor 1 and connected to the three-phase network. Since the reduction gear 14 is connected upstream of the planetary gear 13, the speeds of the planetary gears 13 and 16 do not match, so that the housing of the differential 11 is driven at a constant low speed. The brush bridge is adjusted as long as the sensors 12 and 15 are connected to the network.
By reversing the polarity of the encoder, the direction of rotation for the brush bridge can easily be reversed.
For rapid adjustment of the brush bridge and thus regenerative braking of the three-phase shunt motor 1, the encoder 15 is stopped and braked. With the help of the setpoint generator 12, the brush bridge is now adjusted quickly, since only a small reduction is effective between the shaft of the encoder 12 and the brush adjustment shaft 6.
Further adjustment speeds for the brush bridge can be achieved in that the. Encoder machines 12 and 15 are designed to be pole-changing. Furthermore, it is possible that the actual value transmitter 15 is connected to the secondary voltage of the three-phase shunt motor and the setpoint transmitter 12 to the mains voltage at any operating speed. The brush bridge is adjusted in the direction of the retraction speed until the speeds of the sensors 12 and 15 match.