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Einrichtung zur Übertragung von Daten zwischen Teilen elektrischer
Maschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur störsicheren, kontakt-
und berührungslosen, gegebenenfalls wechselseitigen Ubertragung von Daten, wie z.3.
Steuer- und Meßdaten, zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Teil von
elektrischen Maschinen, insbesondere bei schleifringlosen mit umlaufenden Thyristoren
regelbaren Synohrongeneratoren mit AußenpolTErregermaschinen.
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Bei großen Stromerzeugern (Generatoren) bereitet die Zuführung der
mehrere Megawatt betragenden Erregerleistung über Schleifring Schwierigkeiten. Man
verwendet deshalb Außenpol-Erregermaschinen und zur Einspeisung rotierende Gleichrichter.
Um ein günstiges dynamisches Verhalten der Maschine zu erhalten, werden neuerdings
anstelle der Gleichrichter rotierende Thyristoren angewendet. Zur Steuerung dieser
Thyristoren von einer ortsfesten Steuerstelle aus sowie gegebenenfalls zur Rücküfbertragung
von Meßwerten, wie z.B. Erregerstrom,-Spannung, Temperatur usw., vom rotierenden
Teil (Läufer) zu einer ortsfesten tberwachungsstelle ist ein Ubertragungseinrichtung
erforderlich, woche möglichst kontakt- und berührungslos eine störsichere Übertragung
in einer oder gegebenenfalls gleichzeitig in beiden Richtungen ermöglicht.
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Eine solche Einrichtung für die Hin- und gegebenenfalls Rückübertragung
von Steuersignalen bzw. Meßdaten muß so aufgebaut sein, daß sie ohne besondere Schwierigkeiten
auf bzw.
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an der Welle eines Generators angebracht und überdies jeder Generator
mit einer solchen Einrichtung nach- bzw. umgerüstet werden kann. Eine solche Dåtenübertragungseinrichtung
soll im übrigen trotz eines Wellenlängsschubes von etwa 50 mm und
eines
radialen Wellenspieles von etwa + 5 mm betriebsicher arbeiten.
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Die Erfindung besteht aus einer eine Sendeetation und eine Empiangsstation
umfassenden Einrichtung mit Je einem ringförmigen Übertragungsorgan und einem zwischen
diesen Organen vorgesehenen, durch Lichtwellen, insbesondere Infrarotlicht, als
Informationsträger überbrückbaren, die DatenUbertragungsstrecke bildenden Spalt
sowie aus einer Anordnung von Glasfaser-Lichtleitern, deren gebündelte Enden senderseitig
einem Lichtgeber, empfängerseitig einem Lichtempfänger und deren aufgefaserte Enden
gleichmäßig verteilt längs des Umfangs der beiden Übertragungsorgane einander zugewandt
sind, von denen das eine ortsfest angeordnet und das andere auf dem umlautenden
Maschinenteil befestigt ist.
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Eine solche, mit Glasfaser-Lichtleitern arbeitende optoelektronische
Sbertragungseinrichtung gestattet eine fehlerfreie Übertragung von Steuersignalen
bzw. Meßwerten. Die Steuer- bzw. Meßdaten können dem Informationsträger senderseitig
im Frequenz- bzw. Zeitmultiplirverfahren aufmoduliert werden, wobei das zu übertragende
Signal jeweils einem Signalgeber entnommen und über einen Modulator sowie einen
Leistungsverstärker dem Lichtgeber eingegeben wird, während empfangsseitig hinter
dem Lichtempfänger ein Demodulator und eine Signalauswertung vorgesehen sind, die
ein dem senderseitigen Signal entsprechendes empfangsseitiges Signal verausgabt,
welches als Steuer- bzw. Meßsignal Steuer- bzw. Meßvorrichtungen beeinflußt. Durch
das anzuwendende Frequenz- bzw. Zeitmultiplexverfahren können mehrere Informationen
(Daten) über den Spalt zwischen den obertragungsorganen geführt werden, wie z.B.
Steuersignale, Strom, Spannung, Temperatur, Schwingung usw. Hierbei können Signale
bis zu einer Frequenz von 100 kHz und mehr übertragen werden.
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Als Lichtgeber in der Sendestation dient eine,zweckmäßig im Infrarotbereich
abstrahlende, Bumineszenzdiode, welcher die zu übertragenden modulierten Daten über
den auf eingeprägten Strom verstärkenden Leistungsverstärker aus dem Signalgeber
zugeführt werden0 Als Lichtempfänger in der Empfangsstation wird ein Fototransistor
bzw. eine Fotodiode verwendet.
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Zwischen Lichtgeber und Glasfaser-Lichtleiter der Sendeseite sowie
zwischen Glasfaser-Lichtleiter und Lichtempfänger der EmpfangsstatiDn ist zweckmäßig
je ein optisches Anpaßsystem vorgesehen.
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Die aufgefaserten Glasfaser-Lichtleiterenden sowohl in der Sendestation
als auch in der Empfangsstation sind gleichmäßig auf einen durchgehenden kreisförmigen
Fensterspalt des zugehörigen Übertragungsringes verteilt.
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Anstelle eines durchgehenden Fensterspalts in den Übertragungsringen
kann in den Übertragungsringen auch eine Mehrzahl von rechteckförmigen, auf einer
Kreisbahn angeordneter Fensteröffnungen vorgesehen sein. Diese rechteckförmigen
Fensteröffnungen sollten in den Ringen gegenüber der Kreisbahn um einen vorgebbaren
Winkel geneigt sein, und die geneigten Fensteröffnungen sollten sich in den Ringen
einander teilweise überlappen. Im übrigen können die Neigungswinkel der Fensteröffnungen
sowohl im Senderring als auch im Empfangsring gleichartig gewählt sein, jedoch in
dem einen Ring gegenläufig zum anderen.
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Bei einer Maschinenwelle mit verhältnismäßig geringem Längsschub,
aber erheblichen radialen Spiel ist es zweckmäßig, die Übertragungsringe konzentrisch
zueinander die Maschinen welle umgreifen zu lassen, wobei die Lichtabstrahlung vom
Sende- zum Empfangsring radial und senkrecht zur Achse der umlaufenden Maschinenwelle
erfolgt.
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Bei Maschinenanlagen dagegen, bei denen das Radialspiel der Welle
klein, der Wellenlängsschub aber nicht vemschlässigbar ist, sollten die Übertragungsringe,
nebeneinander angeordnet, die Maschinenwelle umgreifen, wobei die Lichtabstrahlung
vom Sende- zum Empfangsring parallel zur Achse der umlaufenden Maschinenwelle I
erfolgt.
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Sollen nicht nur Steuersignale von einer ortsfesten Steuerstelle z.B.
zu den Thyristoren des umlaufenden Läuferteils der Maschine, sondern auch Meßdaten
aus dem Läufer zu einer ortsfesten Überwachungsstelle übertragen werden, so werden
zweckmäßig zwei Übertragungsringpaare vorgesehen, von denen das eine Ringpaar für
die Datenhinübertragung und das andere Ringpaar für die Datenrückübertragung verwendet
wird.
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Die für die Hin- und Rückübertragung der Daten notwendigen Modulations-
und Inod£Laiionsvorrichtungen werden auf bzw.
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in der umlaufenden Welle einerseits bzw. in einem Bereich des Maschinenstators
andererseits zweckmäßig in einigen diese Steuerbausteine enthaltenden Beipacks befestigt.
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Die Ubertragungsringe sind zwecks Um- bzw. Nachrtstung der elektrischen
Maschine zumindest hälftig teilbar und in Teilstücken um die Maschinenwelle spannbar
gestaltet.
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Die Erfindung sei nachstehend anhand einiger Ausfthrungsbeispiele
in 7 Figuren näher erläutert.
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Die Fig. 1 veranschaulicht das Übertragungsprinzip, wonach von einem
Signalgeber Sg in der Sendestation SS ein Ubertragungsgerechtes Signal abgegeben
wird, welches die erforderlichen Informationen, wie z.B. den Zündwinkel für die
nicht dargestellten, im Läufer der Maschine zu steuernden Thyristoren enthält. Die
Informationen des Signalgebers Sg
werden vermittels des der Sendestation
SS zugeordneten Modulators M auf ein bestimmtes Frequenzband aufmoduliert und dem
Leistungsverstk ker LV eingegeben, der seinerseits den Lichtgeber LS beeinflußt.
Im Leistungsverstärker LV wird die Ansteuerungsspannung in einen Strom umgesetzt,
welcher so geführt wird, daß die Emission der Luinineszenzdiode über Frequenz und
Temperatur konstant bleibt. Das bei diesem Strom vermittels der Bumineszenzdiode
des Licht senders LS mit einer Strahlungsleistung von z.B. 200 mW ausgesandte Licht
wird über eine Anpaßoptik 01 in der Sendestation SS auf gebündelte Glasfaser-Lichtleiter
L1 gleichmäßig verteilt, deren aufgefaserte Enden in durchgehenden oder unterteilten
Fensterschlitzen FS eines Sende-Übrtragungsringes R1 befestigt sind, wie dies in
der Fig. 2 näher veranschaulicht ist. Der Ring R1 der Sendestation SS umgreift,
wie in der Fig. 3 gezeigt, die umlaufende Maschinenwelle w, ohne von dieser mitbewegt
zu werden.
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Die Empfangsstation ES (Fig. 1) besteht aus einem Empfangsring R2,
welcher dem Sendering R1 der Sendestation SS im Aufbau entspricht. In dem Empfangsring
R2 sind die aufgefaserten Enden des Glasfaser-Lichtleiters L2 kreisförmig angeordnet
und befestigt bzw. zu Fensteröffnungen FE geführt (Fig. 2). Das gebündelte Ende
des Glasfaser-Lichtleiters L2 grenzt an eine Anpaßoptik 02 (Fig. 1) an, welche auf
den LichtempfänSer LE einwirkt. Der Lichtempfänger BE der Empfangsstation ES kann
als Fotodiode oder als Fototraneistor ausgebildet sein und dient dazu, die auffallenden
Lichtimpulse wieder in Strom- bzw.
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Spannungsschwankungen umzusetzen. Die Impuls spannungen des Lichtempfängers
LE werden in einem Demodulator DX demoduliert und einer Anpaßschaltung AS eingegeben,
welcher eine Signalauswertung Sa nachgeschaltet ist, von der auseine nicht näher
veranschaulichte Steuer schaltung für die mit der Welle W mitumlaufenden Thyristoren
beeinflußbar
ist. Der Spalt Sp zwischen den Ringen R1 und R2 (Figuren
1 und 3) dient somit als Datenübertragungsstrecke und wird durch Lichtwellen überbrückt.
Der Übertragungsring R2 der Empfangsstation ES ist fest mit der haschinentelle 1
(Fig. 3) verbunden und läuft ebenso wie die der Empfangsstation ES zugeordneten
Glieder mit dieser Welle um.
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Bei der Anordnung nach den Figuren 1 und 3 wird das Licht von dem
Sendering R1 senkrecht von der Ringfläche abgestrahlt und trifft senkrecht auf die
Ringfläche des Empfangsrings R2 auf, d.h. die Lichtübertragung erfolgt Uber den
Spalt Sp zwischen den Ringen R1 und R2 parallel zur Achse der Welle W. Diese Übertragungsart
empfiehlt sich bei relativ kleinem Radialspiel, aber relativ großen Wellenlängs
schub der Welle 1. Ist dagegen bei der gegebenen Maschine mit einem großen Radialspiel
bei relativ kleinem Ws 11 enlängsschub der Welle zu rechnen, dann empfiehlt sich
ein Aufbau der ringförmigen Übertragungsorgane R gemäß Fig. 4.
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Hiernach ist auf der Welle W der Empfangsring R2 mit den Fenstern
FE für die aufgefaserten Enden des empfängerseitigen Glasfaser-Lichtleiters L2 aufgebracht
und läuft mit dieser um. Konzentrisch um den Empfangering R2 ist der stationär befestigte
Sendering R1 angeordnet, in dessen Fensteröffnungen PS die aufgefaserten Lichtleiterenden
des Glasfaserbündels Lt enden. Die Lichtübertragung von der nicht weiter dargestellten
Sendestation zu der in oder auf der Welle w angeordneten Empfängerstation erfolgt
über den Spalt Sp zwischen den Ringen Rl und R2.
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Zur gleichmäßigen Ausleuchtung der Fenster FS im Sendering R1 und
zur gleichmäßigen Lichtverteilung im Lichtleiter L2 hinter den Fenstern FE des Empfangsrings
R2 wird die Bündelung des jeweiligen Glasfaserbündele L1, L2 so vorgenommen, daß
das von jedem Empfangsstreifen (Penster) aufgefangene
Licht mit
gleicher Intensität über die Empfängeroptik 02 auf den Lichtempfänger &E konzentriert
wird; hierzu erfolgt die Anordnung der Glasfasern der Einzelstreifen im Glasfaserbündel
segmentförmig, wie dies die Fig. 5 veranschaulicht. Jedes der in der Fig. 5 gezeigten
Segmente 1 bis 10 ist mit Glasfasern ausgefüllt, welche pro Segment zu jeweils einem
der Fenster F im Empfangsring R2 bzw.
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im Sendering R1 führen. Bei einer solchen Verteilung hat auch bei
einer nicht exakt justierten Optik 01 bzw. 02 jeder Fensterstreifen FS bzw. FE die
gleiche Empfindlichkeit bzw. Ausleuchtdichte.
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Der Sendering R1 mit zugsrdnetem Glasfaser-Lichtleiter L1 und Optik
01 entspricht in seinem Aufbau der Empfangsanordnung mit Empfangsring R2, Glasfaser-Lichtleiter
L2 und Optik 02.
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In der Fig. 6 sind in vergrößerter Darstellung Teilabschnitte der
Ringe R1 und R2 schematisch veranschaulicht. Das gebündelte Ende des Glasfaser-Lichtleiters
L1 wird, wie durch einen Pfeil angedeutet, vom Lichtsender LS beaufschlagt, während
die aufgefaserten Enden des Glasfaser-Lichtleiters L1 in bandförmigen Glasfaserstreifen
enden,welche - lückenlos aneinandergrenzend direkt oder mit Abstand nebeneinandergereiht
- die Fenster PS für den Lichtaustritt im Sendering R1 bilden. In entsprechender
Weise ist der Empfangsring R2 aufgebaut, von dem in der Fig. 6 ebenfalls nur ein
Teilausschnitt veranschaulicht ist. Die aufgefaserten Streifenenden des empfangsseitigen
Glasfaser-Lichtleiters L2 führen von den Fensterstreifen FE zum gebündelten Ende
des Glasfaser-Lichtleiters L2 und beeinflussen über die nicht dargestellte Optik
02 in der angegebenen Pfeilrichtung den Lichtempfänger LE.
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Eine der Fig. 6 entsprechende Darstellung ist in der Fig. 7 gewählt,
wo jedoch die Fenster PS im Sendering R1 geneigt
angeordnet sind
und sich teilweise überlappen. Im Empfangsring R2 ind die Fenster FE im gleichen
Winkel wie im Send.-ring R1 geneigt angeordnet, jedoch gegenläufig dazu. Eine solche
Anordnung ist für eine Lichtübertragung über den Spalt Sp dann angebracht, wenn
mit einem Radialspiel der Maschinenwelle W und darüber hinaus noch mit einem beträchtlichen
Längsechub der Welle W zu rechnen ist. Durch diese Maßnahme wird eine Reduzierung
der Übertragungsintensität bei der Rotation der Welle W gering gehalten, weil sich
während einer Umdrehung der Welle W immer gleich ausgeleuchtete Sende- und Empfangsflächen
in den Fenstern egenüberstehen. Durch den Langsschub der Welle w und deren Radialspiel
kann nämlich je nachRichtung der Abstrahlung des Senders eine Abstandsänderung und
eine seitliche Verschiebung zwischen den Sende- und Empfangsflächen der Fenster
F entstehen. Die gemäß Fig. 7 aufgebaute Sendering- und Empfangsen ringanordnungSsnnd
im Aufbau gleich und könnten wechselweise in beiden Übertragungsrichtungen verwendet
werden. Eine konstante Übertragung während der Rotation der Welle W ist durch die
Schrägstellung der Glasfaserstreifen gesichert; hierbei ist eine Neigung der Glasfaserstreifen
F um 200 gegenüber einer Tangente an die Wellenoberfläche und eine über lappung
der Streifen um ein Drittel anzustreben. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß
bei einer Verschiebung des auf der Welle W befestigten Ringes R bei einem Radialspiel
von etwa + 5 mm nur eine Reduzierung der Übertragungsintensität auf 2/3 erfolgt.
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Die Anzahl der Fensteröffnungen F in dem Sendering R1 bzw. in dem
Empfangsring R2 sowie die Pensterlänge und -breite können beliebig gewählt sein,
jedoch soll bei Auswahl einer Mindestanzahl darauf geachtet werden, daß sich in
vorgegebenen Winkellagen der Ringe R zueinander mindestens ein Fenster des Senderinges
mit mindestens einem Fenster des Empfangeringes deckt. Es hat sich wirtschaftlich
zweckmäßig erwiesen, über
den Umfang eines Ringes R etwa drei bis
zehn solcher Fenster öffnungen gleichmäßig verteilt vorzusehen, z.B. um eine redundante
Übertragung (2 aus 3-Auswahl) zu erreichen.
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Das vom Lichtempfänger LE aufgenommene Signal ist durch Längs- und
Querabstandsänderungen zwischen dem feststehenden und dem bewegten Teil der optoelektronischen
Vorrichtung und gegebenenfalls durch Verschmutzung der Fenster F in den Ringen R
zum Teil erheblichen Lichtintensitätsschwankungen unterworfen, welche vom Verstärker
der Anpaßschaltung AS aufgefangen werden müssen. Die mit der Welle W umlaufenden
optischen Vorrichtungen, insbesondere die Glasfaserbündel, sind beim Umlauf beträchtlichen
mechanischen Kräften ausgesetzt; es ist daher erfordeich, den mitumlaufenden Ring
R und das ihm zugeordnete Glasfaser-Lichtleiterbündel gegen Beschädigungen zu schützen.
Dies kann durch Einbetten der Gesamtanordnung in eine biegefeste Eunststoffmasse
sichergestellt werden, Für die simultane Hin- und Rückübertragung von Daten zum
bzw. vom umlaufenden Läufer werden zweckmäßig zwei Übertragungsringpaare R1, R2
vorgesehen, wobei dann die mitzulaufenden Steuerbausteine, welche die Modulations-
und »emodiitionsvorrichtungen enthalten, in Beipacks auf der umlaufenden Welle,
z.B. im Wellenhohlraum, untergebracht sind, während die ertsfest vorzusehenden Steuerbausteine
beim Maschinenstator vorgesehen werden.
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Die Übertragungsringe bzw. Übertragungsringpaare R1, R2 sollten zumindest
hälftig teilbar und in Teilstücken um die Maschinenwelle spannbar gestaltet sein.
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7 Figuren 15 Patentansprüche