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Anordnung an Zweiphasenmotoren Bei verschiedenen industriellen Antrieben
ist es erwünscht, ein der Geschwindigkeit des Motors proportionales Signal für Meß-,
Steuer- oder Regelzwecke zu gewinnen. Bei Gleichstrommotoren kann zu diesem Zweck
die Ankerspannung herangezogen werden. Handelt es sich dagegen um Wechselstrommaschinen,
so ist meist die Verwendung eines besonderen Tachometergenerators erforderlich,
wenn man eine Gleichrichtung der Motorspannung zur Speisung eines Differenziergliedes
vermeiden will.
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Besondere Bedeutung hat ein solches geschwindigkeitsabhängiges Signal
bei Regelantrieben, wo es bei spielsweise für Dämpfungszwecke Verwendung findet.
Es seien hier die bekannten Drehmeldersysteme genannt, bei denen auf der Empfängerseite
ein derartiger Stellmotor von der Regelabweichung beeinflußt wird; die sich aus
dem Unterschied der Stellungen des Drehmeldergebers und des Drehmelderempfängers
ergibt.
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Da man hier im allgemeinen .einen dreiphasigen Netzanschluß vermeidet,
werden diese Stellmotoren meist als Zweiphasenmotoren ausgebildet, bei denen eine
Phase über einen Kondensator oder ein anderes phasendrehendes Glied direkt aus dem
Netz gespeist wird, während die zweite Phase, die sogenannte Steuerphase, an den
Ausgang eines Regelverstärkers angeschlossen ist. Ist keine Verstärkung nötig, können
auch beide Phasen an ein gesteuertes Netz angeschlossen sein. Zur Gewinnung des
geschwindigkeitsproportionalen Signals wird eine ähnlich aufgebaute Maschine als
Generator verwendet und mit dem Motor gekuppelt. Für derartige Zwecke haben sich
die bekannten Ferraris-Maschinen wegen ihrer kleinen Zeitkonstanten vorzüglich bewährt.
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Bei solchen Regeleinrichtungen ist jedoch wegen des Erfordernisses
zweier gleichartiger Maschinen ein erheblicher Aufwand gegeben, der besonders dann
sehr stark ins Gewicht fällt, wenn es sich um die Verstellung von Belastungen mit
nur kleinem Drehmoment handelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zweite, als Tachometergenerator
dienende Zweiphasenmaschine entbehrlich zu machen. Sie betrifft eine Anordnung an
Zweiphasenmotoren zum Anschluß an ein Einphasennetz und ist dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Motorphasen in einen Zweig einer Wechselspannungsbrücke eingebaut ist,
so daß an deren Diagonale eine geschwindigkeitsproportionale Spannung entsteht.
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Bei einer derartigen Einrichtung spielt sowohl die Größe als auch
die Phasenlage der Brückendiagonalspannung eine wesentliche Rolle, sobald es sich
nicht ausschließlich um Meßzwecke handelt. Soll die Diagonalspannung als Gegenkopplung
in den Steuer- bzw. Regelvorgang eingreifen, so muß sie im wesentlichen mit der
Steuerspannung gleich- bzw. gegenphasig sein. Da die Spannung in der Steuerphase
gegen die Spannung der Primär- oder Erregerphase vorteilhaft um etwa 90° verschoben
ist, soll auch der Phasenwinkel zwischen der geschwindigkeitsproportionalen Spannung
und der Primärspannung etwa die Größe von 90° aufweisen. Es wird daher günstig sein,
wenn die Diagonalspannung der Brücke ohne weiteres bereits die gewünschte Phasenlage
besitzt und nicht erst selbst wieder in der Phase gedreht werden muß.
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Diese Forderung scheint zunächst bei Zweiphasenmäschinen nicht erfüllbar
zu sein, da die generatorisch erzeugte Spannung in der Phase im wesentlichen mit
der Phasenlage der Primärspannung übereinstimmt. Dieselbe Erscheinung tritt auch
dann auf, wenn man gemäß der Erfindung die Steuerphase in einen Zweig einer Wechselspannungsbrücke
einbaut wie bei dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.
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In Fig. 1 ist M ein Zweiphasenmötor, dessen vier Wicklungen im Beispiel
in bekannter Weise im Viereck, d. h. als Brücke geschaltet sind. An'de_ eine-Diagonale
(1, 3) wird die- Primärs2annüäg, an die. andere Diagonale (2, 4) ie Steuerspannung
angeschlossen. Die Primärspannung wird Tiber einen Phasenschieber, der im Beispiel
als Kondensator C,yj
ausgebildet ist, von der Netzspannung UN gespeist.
Die Steuerphase, gespeist von US, liegt mit einem Kondensator C in Reihe und bildet
mit einem Widerstand R und den beiden Hälften der Impedanz Z beliebigen Charakters
eine Brückenschaltung, an deren Diagonale die geschwindigkeitsproportionale Spannung
UV auftritt.
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Die Fig.3 zeigt das Vektordiagramm dieser Einrichtung. Zur Platzersparnis
sind die Spannungen UN und UCM nur teilweise dargestellt. Ihre Differenz U1,3 ist
die Erregerspannung der Maschine. Die Steuerspannung U2,4 setzt sich aus der Spannung
UR, der Spannung UC und der Spannung US zusammen. Die ausgezogenen Vektoren gelten
für den Stillstand der Maschine, die gestrichelten für eine bestimmte Drehzahl.
Die hierfür gültigen Spannungen sind mit U' bezeichnet: Wie aus dem Diagramm ersichtlich,
entsteht während des Laufes der Maschine eine geschwindigkeitsproportionale Spannung
UV', die mit der Erregerspannung U'1,3 im wesentlichen in Phase liegt. Für Steuer-
oder Regelzwecke wäre demnach noch ein besonderes phasendrehendes Glied für die
Spannung UV' erforderlich.
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Für den Fall der Speisung der Steuerphase aus einem besonderen Verstärker
kann es unerwünscht sein, daß die Wechselspannungsbrücke den Verstärker mit etwa
der doppelten Leistung belastet wie die Steuerphase allein. Man wird es dann vorziehen,
nicht die Steuer-, sondern die Primärphase in eine Brükkenschaltung zu legen, so
daß der Leistungsverbrauch der Brücke aus .dem Netz gedeckt werden kann. Für diesen
Fall ist es beispielsweise möglich, die Primärphase und den Phasenschieberkondensator
CM in einem Brückenzweig zusammenzufassen und die Brücke durch zwei weitere Kondensatoren
und einen Widerstand zu ergänzen. Der Widerstand entspricht dem Realteil der Reihenschaltung
von Primärphase und Phasenschieberkondensator.
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Eine weitere Möglichkeit, die Primärphase in eine Brücke zu legen,
ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, bei der übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen
wie in Fig. 1 erhalten haben. Die Primärphase und der Phasenschieberkondensator
Cm bilden nunmehr den einen Parallelpfad der Brücke, während im anderen eine die
Motorphase nachbildende Impedanz (Widerstand R1 und Drossel L) sowie ein Kondensator
C1 liegen.
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Eine nach Fig.2 aufgebaute Schaltung weist eine Reihe von bedeutenden
Vorteilen auf. Zunächst ist ihr Spannungsbedarf relativ niedrig, und man erzielt
eine sehr hohe Brückendiagonalspannung. Oberwellen treten nur sehr wenig in Erscheinung.
Außerdem aber besitzt die Diagonalspannung eine verhältnismäßig große Komponente
senkrecht zur Primärspannung, die unmittelbar zur Beeinflussung des Regelverstärkers
im Sinne eines D-Einflusses herangezogen werden kann.
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In Fig.4 ist ein gemessenes Vektordiagramm der Spannungen in der Schaltung
nach Fig. 2 dargestellt. Die Primärspannung U1,3, die bei richtigem Abgleich der
Spannung an der Reihenschaltung von R1 und L entspricht, ergibß sich aus der Vektordifferenz
der Netzspannung UN und der Spannung des Phasenschieberkondensators CM, die
mit der Spannung übereinstimmt. Diese Verhältnisse gelten für den Stillstand. Im
Laufe der Maschine tritt, wie aus den gestrichelten Vektoren der Spannungen U' erkennbar,
in der Brückendiagonale eine Spannung Uv' auf, die mit der Erregerspannung U'1,3
einen Winkel von etwa 60° einschließt. Für die geschwindigkeitsproportionale Spannung
sind also keine besonderen Phasenschieber nötig, um sie für Dämpfungszwecke heranzuziehen.
Sie ist auch absolut wesentlich größer als die mit der Schaltung nach Fig. 1 erreichbare,
obwohl die Netzspannung UN nur etwa ein Viertel der bei Fig. 1 benötigten
beträgt.
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Die Frage nach der Empfindlichkeit der Brückenschaltung läßt sich
in Anlehnung an die für Gleichstrombrücken bekannten Ableitungen beantworten. Hierbei
ist jedoch zu berücksichtigen, ob die Brückendiagonale leistungsmäßig belastet wird
oder nur eine Spannung abgeben soll. Im ersten Fall erreicht man bekanntlich die
größte Empfindlichkeit dann, wenn alle vier Brückenglieder und die Diagonale den
gleichen Widerstand besitzen. Man kann jedoch ohne erhebliche Empfindlichkeitseinbuß
edenj enigen Brückenpfad, der nicht die - Motorphase enthält und daher nutzlose
Leistung verbraucht, um einen erheblichen Betrag höherohmig machen. Noch größere
Freizügigkeit in dieser Richtung besteht selbstverständlich bei nur spannungsabgebenden
Brücken, wo der Diagonalwiderstand sehr hoch ist und daher auch der Nebenpfad der
Brücke hochohmig gemacht werden kann.
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Zur Erhöhung der effektiven Empfindlichkeit tragen auch Maßnahmen
zur Senkung der unabgeglichenen Restspannung der Brücke bei, die im wesentlichen
der 3. Harmonischen angehört. Zu diesem Zweck wird man etwa im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 die Kennlinie der Drossel L möglichst weitgehend dem induktiven Verhalten
der Primärphase anpassen.
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Die Erfindung ist nicht auf Zweiphasenmotoren mit der dargestellten
Viereckschaltung der Erregerwicklungen beschränkt, sondern kann auch bei anderer
Wicklungsbauart, insbesondere bei galvanisch getrennten Wicklungen, mit Vorteil
verwendet werden. Es ist dann nur jeweils erforderlich, auf die richtige Phasenlage
der geschwindigkeitsproportionalen Spannung zu achten, wenn sie nicht nur für Meßzwecke
dient.