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Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors Für viele technische
Zwecke sind Antriebsmaschinen mit möglichst großer Drehzahlkonstanz erforderlich.
Die Solldrehzahl dieser Maschinen muß hierbei unter allen Verhältnissen, z. B. bei
veränderlicher Belastung, bei kalter oder warmer Maschine oder, wie es z. B. bei
Gleichstrommotoren vorkommt, auch bei verschiedener Höhe der zugeführten Spannung
eingehalten werden. Da die Maschinen von sich aus diese Forderungen nicht erfüllen,
sind selbsttätige Regler notwendig, deren Aufgabe es ist, die Regelgröße, in diesem
Falle also die Drehzahl, wieder auf den Sollwert zu bringen.
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Es sind in der Technik eine Reihe von Reglern bekannt, die diese Aufgabe
in verschiedener Weise lösen. Unter ihnen sind die Fliehkraftregler am bekanntesten.
Sie vereinigen in sich Meßglied und Stellglied. Der Fliehkraftregler verändert bei
einer durch äußere Einflüsse hervorgerufenen Drehzahlabweichung beispielsweise die
Füllung einer Kraftmaschine oder den Erregerstrom eines Motors so lange, bis die
Regelgröße den Sollwert wieder erreicht hat. Wenn es sich um die Drehzahlregelung
von Gleichstrommotoren handelt, hat der Fliehkraftregler aber den Nachteil, daß
die notwendigen Änderungen des magnetischen Feldes im Motor normalerweise durch
Zu- und Abschalten eines Widerstandes im Erregerstromkreis erzeugt werden müssen.
Über einen längeren Zeitraum gesehen, läßt sich dabei ein Verschleiß der Kontaktstücke
nicht verhindern.
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Der Fliehkraftregler gewährleistet deshalb nur eine ungenügende Konstanz
der Motordrehzahl. Für die Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren benutzt man deshalb
auch indirekt wirkende Regeleinrichtungen, bei denen Meßglied und Stellglied voneinander
getrennt sind. Als Meßglied für die Drehzahl kann beispielsweise ein Wechselstrom-Tachometer,enerator
finit konstanter Erregung verwendet werden, dessen Spannung der Drehzahl proportional
ist. Zur Steuerung des Stellgliedes wird in diesem Fall die Spannung oder der Strom
des Tachometergenerators benutzt, .die bei einer Abweichung der Drehzahl von der
Sollgröße eine Veränderung des Stellgliedes vornehmen. Man kann für diese Zwecke
etwa einen Kohledruckregler verwenden, bei dem die Kohlesäule in den Erregerstromkreis
des Gleichstrommotors geschaltet ist und durch Spannung oder Strom des Tachometergenerators
gesteuert wird. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Veränderung des Motorerregerstromes
erreicht und werden Kontaktstörungen mit den damit verbundenen Folgen vermieden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Drehzahlregelung
eines Gleichstrommotors und bezweckt, die Regelgenauigkeit dieser Anordnung zu erhöhen.
Sie geht dabei von folgender Erkenntnis aus: Die Regelgenauigkeit eines durch eine
Drehzahlgeberinaschine (Tachometergenerators) gesteuerten Reglers hängt im wesentlichen
von zwei Faktoren ab, einmal von der Genauigkeit des Reglers selbst und zum anderen
von dem Verhältnis Drehzahlabweichung zu Stromänderung des von der Drehzahlgebermaschine
abgegebenen Stromes. Da der Genauigkeit eines Reglers durch Materialeigenschaften
und Ausführbarkeit in mechanischer Hinsicht Grenzen gesetzt sind, muß man bestrebt
sein, das Verhältnis Drehzahländerung zu Stromänderung günstiger zu gestalten, d.
h., es muß schon bei kleiner Drehzahlabweichung eine möglichst sehr große Stromänderung
entstehen. Die Erfindung er,Möglicht dies in vorteilhafter Weise.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines
Gleichstrommotors unter Verwendung eines von ihm angetriebenen Wechselstrom-Tachometergenerators,
der das Stellglied des Drehzahlreglers beeinflußt. Diese Anordnung ist nach dem
Grundgedanken der Erfindung so beschaffen, daß die Spannung des Wechselstrom-Tachometergenerators
durch einen von diesem beeinflußten Spannungsregler bei steigender Frequenz der
Tachometerspannung auf einen höheren und bei fallender Frequenz. auf einen niedrigeren
Wert- geregelt wird. An Hand der Zeichnung wird dies nachstehend näher erläutert.
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In Abb. 1 ist eine Anordnung zur Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors
dargestellt. Der vom Gleichstromnetz N gespeiste Anker 1 des Motors, dessen Hauptfeld
vom Strom in der Nebenschlußwicklung2 erregt wird, ist mit einem Wechselstrom-Tachometergenerator
3 mechanisch gekuppelt, so daß die Frequenz der Tachometerspannung der Drehzahl
des Motors entspricht. Die Nebenschlußwicklung 2 liegt über einen im Drehzahlregler
7 befindlichen veränderbaren Widerstand an der Netzspannung. Die Erregerwicklung
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des Tachometergenerators 3 wird ebenfalls über einen im Spannungsregler
5 befindlichen- veränderbaren Widerstand von der Netzspannung gespeist. Die Steuerung
der Widerstände im Spannungsregler und Drehzahlregler erfolgt in Abhängigkeit von
der vom Tachometergenerator abgegebenen Wechselspannung. Hierbei werden die über
einen Gleichrichter zu speisende Erregerspule des Spannungsreglers 5 über eine Drosselspule
6 und die ebenfalls über einen Gleichrichter zu speisende Erregerspule des Drehzahlreglers
7 über die Reihenschaltung einer Drosselspule 8 und eines Kondensators 9 an die
Wechselspannung des Tachometergenerators 3 gelegt.
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Um die Wirkungsweise zu verstehen, wird vorausgeschickt, daß beide
Regler 5 und 7 auf konstanten Strom arbeiten, d. h., die Regler sind asiatisch ausbalanciert.
Wird also der Strom in einer Reglererregerspule über den Sollwert gesteigert, so
wird das Stellglied, in diesem Fall der zugehörige Widerstand, anfangen, seinen
Stellbereich zu durchlaufen.
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Solange die Motordrehzahl konstant ist, sind auch Spannung und Frequenz
des Tachometergenerators konstant. Spannungs- und Drehzahlregler sprechen daher
nicht an. Ändert sich die Motordrehzahl, so regelt der Spannungsregler-5 die Spannung
des Tachometergenerators bei steigender Motordrehzahl und damit Frequenz der Tachometerspannung
auf einen höheren und bei fallender Drehzahl (Frequenz) auf einen niedrigeren Wert.
Die der Erregerspule des Spannungsreglers 5 vorgeschaltete Drossel 6 hat dabei die
Aufgabe, die Regelwirkung des Spannungsreglers zu steigern. Dies ist möglich, wenn
man im Sättigungsbereich der Drosselkennlinie arbeitet.
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Wie aus den Drosselkennlinien in Abb.2 hervorgeht, fließt in der Drosselspule
6 und entsprechend auch in der Erregerspule des Spannungsreglers 5 bei der Nennfrequenz
fN der Nennstrom IN, wenn die Sollspannung UN an der Drosselspule
6 vorhanden ist. (Der Spannungsabfall an der Erregerspule des Spannungsreglers ist
gegenüber der Spannung an der Drosselspule 6 zu vernachlässigen, so daß die letztere
Spannung der Tachometerspannung entspricht.) Steigt die Spannung an der Drosselspule
vom Wert UN auf den Wert Ui an, so steigt der Strom, wie aus der Abb. 2 hervorgeht,
prozentual wesentlich stärker auf den Wert Il an, als die prozentuale Spannungserhöhung
ausmacht. Beim Absinken der Drosselspannung ergibt sich eine relativ größere Stromänderung
im umgekehrten Sinne. Man erreicht also durch Vorschalten der Drossel 6 eine verstärkte
Beeinflussung des Spannungsreglers und dadurch eine wesentliche Steigerung seiner
Regelwirkung, wobei jedoch zunächst konstante Frequenz fN vorausgesetzt ist. Es
ist jedoch noch notwendig zu erörtern, welchen Einfluß eine höhere oder niedrigere
Frequenz, entsprechend einer höheren oder niedrigeren Drehzahl, auf die Regelwirkung
des Spannungsreglers hat. Steigt die Frequenz der Tachometerspannung an, z. B. auf
den Wert fa, so steigt bei konstantem Strom der Spannungsabfall in der Drossel 6.
Die Erregerspule des Spannungsreglers 5 erfordert jedoch, da sie auf konstanten
Strom arbeitet, denselben Erregerstrom und dieselbe Spannung wie bisher. Es muß
deshalb die vom Tachometergenerator abgegebene Gesamtwechselspannung um einen gewissen
Betrag ansteigen. Sinkt die Frequenz, so fällt auch die Drosselspannung und entsprechend
die Gesamtwechselspannung des Tachometergenerators ab.
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Bei den obigen Betrachtungen wurde zunächst eine kcnstante Frequenz
vorausgesetzt. Diese ergibt sich bei konstanter Drehzahl des Gleichstrommotors.
Um eine konstante Drehzahl auch bei Belastungsschwankungen u. dgl. zu erzielen,
ist der Drehzahlregler 7 vorgesehen. Die Erregerspule des Drehzahlreglers ist über
die Reihenschaltung eines Kondensators 9 und einer Drosselspule 8 ebenfalls an die
Wechselspannung des Tachometergenerators angeschlossen. Der aus Drosselspule und
Kondensator bestehende Reihenresonanzkreis ist so ausgelegt, daß seine Resonanzfrequenz
kurz oberhalb der Nennfrequenz fN liegt. Der Strom in der Erregerspule des Drehzahlreglers
7 hat in Abhängigkeit von der Frequenz den in Abb, 3 gezeigten Verlauf. Hierbei
stellt die mittlere Kurve UN
den Stromverlauf bei der Nennspannung
UN dar. Bei der Nennfrequenz fN fließt in der Errgerspule des Drehzahlreglers
7 der Nennstrom IN'. Weicht durch irgendwelche Einflüsse die Motordrehzahl von ihrem
Sollwert und daher die Frequenz der Tachometerspannung vom Wert fN ab, so treten
schon bei kleiner Frequenzänderung sehr große Änderungen des Erregerspulenstromes
auf. Der Drehzahlregler spricht also schon bei kleinsten Drehzahländerungen an und
regelt diese aus.
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Um die Betrachtungen abzuschließen, muß auch der Fall diskutiert werden,
der bei der mit der Frequenzänderung verbundenen Änderung der Tachometerspannung
auftritt. Steigt z. B. die Tachometerspannung auf den Wert U" an, so wird der Nennstrom
IN ,
wie die Abb. 3 zeigt, bei einer tieferen Frequenz auftreten, d. h., die
Drehzahl wird auf einen etwas niedrigeren Wert geregelt. Sinkt die Tachometerspannung
auf den Wert Ub, so wird die Drehzahl auf einen höheren Wert geregelt. In derAbb.
4 ist unter anderem diese Kennlinie für den Drehzahlregler prinzipiell dargestellt.
Sie ist hier mit Dr bezeichnet. Wie die Abb. 4 zeigt, kreuzen sich die Kennlinien
Dr und Sp für den Drehzahl- bzw. für den Spannungsregler. Bei der Nennspannung
UN ist hierbei die Sollfrequenz fN vorhanden. Da naturgemäß jeder Regler
eine gewisse Toleranz hat, die durch Parallelen zu den LinienSp und Dr dargestellt
sind, ergeben sich in der "Praxis sowohl Frequenz- als auch Spannungsabweichungen.
Die dadurch auftretenden Spannungs- und Frequenzungenauigkeiten sind mit Ui, U2,
f1 und f2 bezeichnet. Wie die Abb. 4 zeigt, werden die Abweichungen f1 und f2 dabei
um so kleiner, je mehr sich die beiden Geraden Dr und Sp unter einem Winkel von
90° kreuzen.
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Bei der Erfindung ist also die Kombination eines Spannungsreglers
mit einem Drehzahlregler so gewählt, daß sowohl die Frequenzabweichung als auch
die Spannungsabweichung möglichst klein werden. Wollte man z. B., wie üblich, die
Spannung bei gleicher Toleranz des Drehzahlreglers unabhängig von der Frequenz konstant
halten, so würde die Gerade Sp waagerecht verlaufen. An den gestrichelten Linien
ist zu erkennen, daß in diesem Fall die Frequenzabweichungen f3 und f4 wesentlich
größer werden. Es ist somit klar, daß eine größere Frequenz- und daher Drehzahlgenauigkeit
nur erreicht werden kann, wenn im Sinne der Erfindung bei gleicher Regeltoleranz
die Spannung frequenzabhängig und die Drehzahl spannungsabhängig beeinflußt wird.