DE588069C - Verfahren und Einrichtung zur elektrischen Fernzwangsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung gleicher oder verhältnisgleicher Winkelgeschwindigkeiten an voneinander entfernten Orten mit Hilfe eines als Sender dienenden Einankerumformers, dessen Läuferwjcklung an äquidistanten Punkten mit äquidistanten Punkten der Läuferwicklung synchroner Empfängermotoren verbunden und an einen umlaufenden oder ruhenden Kollektor angeschlossen ist, auf dem ein verstellbarer Bürstensatz schleift. Die Erfindung kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, daß die Winkelgeschwindigkeit des Senderläufers und der Empfängerläufer zwisehen Null und einem Höchstwert durch Verstellung des Bürstensatzes gemeinsam geregelt wird. Der wesentliche Vorteil dieser Art der Regelung besteht darin, daß die bei den bekannten Einrichtungen der erwähnten Art erforderlichen Hilfsorgane zwischen dem Sender und den Empfängern in Fortfall kommen können. Diese Hilfsorgane werden durch die Wirkung der Drehung des Bürstensatzes auf die Beschleunigung- der Drehfelder ersetzt, die das gleichzeitige Anlassen und die synchrone Regelung der Geschwindigkeiten sichert.

Bei Verwendung eines Repulsionsmotors

' als Sender werden zur Regelung der Drehgeschwindigkeiten die Ständer der Empfängermotoren zweckmäßig durch Wechselströme gespeist, die ein Drehfeld von derselben Geschwindigkeit wie das im Sender wirksame erzeugen. Dies Drehfeld wird vorzugsweise durch Überlagerung zweier nach Richtung und Phase in Quadratur zueinander stehender Felder im Ständer der Empfängermotoren oder durch deren Speisung mittels eines Mehrphasenstromes erzielt, dessen eine Phase den.Sender speist.

Im nachstehenden sind verschiedene Ausführungsformen der neuen Einrichtung beispielsweise beschrieben. Ferner wird ein Anwendungsbeispiel für die Fernsteuerung einer Reihe von Maschinen, die eine hohe Gesamtleistung voraussetzen, gegeben.

Abb. ι veranschaulicht eine Fernsteuerung mit Gleichstrom, bei der der Sendermotor als Nebenschlußmotor arbeitet.

Abb. 2 zeigt dieselbe Einrichtung mit einem Reihenschlußmotor.

Die Abb. 3 und 4 stellen ähnliche Einrichtungen zur Speisung mit Einphasenwechselstrom dar. Der als Sender benutzte Motor ist ein Nebenschlußmotor in Abb. 3, ein Reihenschlußmotor in Abb. 4.

Die Abb. 5 und 6 zeigen zwei Vorrichtungen, bei welchen die Speisung des Senders und des Empfängers ebenfalls durch Einphasenwechselstrom erfolgt und der Sender . als Repulsionsmotor oder als kompensierter Repulsionsmotor ausgeführt ist, wobei der

Empfänger in beiden Fällen eine besondere Wicklung erhält.

Abb. 7 zeigt eine Einrichtung, bei welcher derselbe Sender wie in Abb. 5 verwendet wird, bei welcher aber das Drehfeld des Empfängers durch einen Dreiphasenstrom hervorgebracht wird, welcher dieselbe Frequenz besitzt wie der Einphasenstrom, welcher den Sender speist.
Abb. 8 betrifft eine Ausführungsform des Senders der Abb. 2 mit zwei Kollektoren. Die Drehbürsten gehören zum Ständer, die Kollektorbürsten des Läufers sind stillstehend.

Abb. 9 ist eine Ausführungsform, bei welcher die Verschiebung des Senderfeldes elektrisch aus der Ferne veranlaßt wird, mittels einer, der Zwangsübertragungen, die in älteren Vorschlägen beschrieben sind. 2rf Abb. 10 ist ein mit Dreiphasenstrom gespeister Sender riebst dem zugehörigen Empfänger.

Abb. 11 zeigt eine Anwendung des Reihenschluß- oder Nebenschlußsenders für eine Zwangssteuerung mehrerer Maschinen, die eine große Kraftleistung voraussetzt, wobei der Sender von der Senderstation aus mit Hilfe einer Zwangsübertragung geringer Leistung oder einer beliebigen anderen Fernsteuerung betrieben wird.

Abb. ι zeigt eine Anlage mit Sender und Empfänger. Der Sender M besteht aus einem Ständer mit ausgeprägten Polen 1 und 2 oder einer gleichförmig verteilten Wicklung, welche durch die Gleichstromleitung L. gespeist wird-, und aus einem mit Wicklung versehenen Läufer 3. Der Läufer 3 besitzt einen Kollektor 4, auf welchem zwei Drehbürsten S und 6 schleifen. Diese sind an die Leitung L angeschlossen. Der Läufer trägt außerdem drei Ringe 7, 8, 9, welche mit der Leitung L₁ durch drei Bürsten 10, n, 12 verbunden sind. Der vom Sender M gesteuerte Empfänger R besteht aus dem Ständer mit ausgeprägten Polen 13, 14 oder mit gleichmäßig verteilter Wicklung, der durch dieselbe Gleichstromleitung L gespeist wird, und aus einem mit Wicklung versehenen Läufer 15, dessen drei Ringe 16, 17, 18 an drei feststehenden Punkten der Wicklung angeschlossen sind. Der Strom der Leitung L₁ wird den Ringen durch die Bürsten 19, 20, 21 zugeführt.

Die Arbeitsweise der Anlage ist folgende: Wenn die beweglichen Speisebürsten 5, 6 in die Ebene senkrecht zur Neutralen eingestellt sind, entsteht durch den Strom des Ankers, der auf einen bestimmten Wert beschränkt werden muß, mit Hilfe eines Wider-■ Standes r, der· mit der Verstellung der Bürsten. veränderlich ist, im Läufer ein Feld, welches mit dem des Ständers nach Richtung übereinstimmt. Es entsteht infolgedessen kein Drehmoment, und der Läufer bleibt in Ruhe.

Verstellt man die Bürsten, so nimmt der Winkel zwischen dem Ständerfeld und dem Läuferfeld zu, und es entsteht ein Drehmoment. Bei einem bestimmten Werte dieses Winkels läuft der Läufer an und dreht sich, wie ein Nebenschlußmotor, mit einer dem Winkel der Felder entsprechenden Geschwindigkeit. Verstellt man die Bürsten um 90 ° bis zur neutralen Linie, so steigt die Geschwindigkeit und erreicht ihr Maximum. Wenn man die Bürsten statt in der betrachteten Richtung zu verstellen, sie in entgegengesetztem Sinne verstellt, so wiederholen sich dieselben Erscheinungen, nur daß das Läuferfeld seine Richtung ändert uiid das Kräftefeld sowie die Geschwindigkeit umkehren.

Die Richtung des entstehenden Feldes bleibt wesentlich dieselbe wie das Feld der Erregerspulen; jedenfalls kann es beiderseitig nicht um mehr als 90° abweichen. Infolgedessen kann man den in Drehung befindliehen Läufer als in einem Feld laufend betrachten, welches wesentlich im Räume feststeht. Der an den drei Ringen 7, 8, 9 abgenommene Strom ist ein Dreiphasenstrom, dessen veränderliche Frequenz gleich der der Drehung des Läufers ist. Dieser Sender verhält sich im Grunde wie ein umgekehrter Umformer veränderlicher Frequenz, die von der Bürstenverstellung abhängt.

Sobald der Motor M in Bewegung gesetzt ist, fließt durch den Läufer des Empfängers ein Dreiphasenstrom, dessen Frequenz durch die Geschwindigkeit des Läufers des Senders bestimmt wird. Ein Drehfeld gleicher Frequenz passiert den Läufer des Empfängers. Da der Läufer mit einer Geschwindigkeit beginnt, die gleich Null ist, ebenso wie dies für das Drehfeld der Fall ist, so erfolgt das gegenseitige Anhängen. Wenn das Widerstandsmoment einen bestimmten Wert nicht überschreitet, so arbeitet der Empfänger R wie ein selbstanlaufender Synchronmotor und bleibt in Tritt. Der Sendermotor, dessen Geschwindigkeit von der Verstellung der Bürsten abhängt, kann somit ein bestimmtes Drehmoment liefern und einen oder mehrere Empfängermotoren treiben.

Wenn der Sender zeitweise keinen Empfänger speist oder lediglich einzelne Empfänger, so wird sich für ein und dieselbe Geschwindigkeit eine verschiedene Stellung der Bürsten je nach der Belastung ergeben; aber bei einer bestimmten Belastung wird sich die Geschwindigkeit nichtsdestoweniger kontinuierlich entsprechend der Verstellung der Bürsten ändern.
Abb. 2 zeigt einen Servomotor desselben

Typs, der: aber als Reihenschlußmotor arbeitet. Der Empfärigermotor entspricht dem der Abb. i. ■

Wie in der Abb. r ist das resultierende Feld ein im Raum feststehendes Feld, und die Arbeitsweise ist dieselbe wie die oben beschriebene.

Abb. 3 zeigt einen gleichen Sender wie

■ ■ Abb. i, der jedoch mit Einphasenstrom gespeist wird. Der "Empfänger ist ebenfalls gleich dem der Abb. i, jedoch erhält sein Ständer Einphasenwechselstrom. Die Arbeitsweise ist ähnlich der oben beschriebenen.

• Wenn die Speisebürsten 5 und 6 in einer Ebene festgelegt sind, welche senkrecht zur Neutralen steht, so bildet der Ankerstrom, welcher durch die Reaktanz des Ankers auf einen bestimmten Wert herabgesetzt ist, ein

■ - im- Räume feststehendes Wechselstromfeld in Richtung "des feststehenden Wechselstromfeldes des Ständers. Es bildet sich infolgedessen kein Drehmoment, und der Läufer bleibt unbeweglich. ' Die Verstellung der Bürsten in dem einen oder anderen Sinne verändert die Richtung der beiden Felder, und es entsteht ein Drehmoment, welches den Läufer in Umdrehung versetzt. Der Drehsinn wird bestimmt durch die -Stellungsänderung' der Bürsten. Die Geschwindigkeit hängt ab von dem Winkel der Verstellung bei einer gegebenen Belastung. Der Verstellungswinkel der Bürsten beträgt höchstens 90⁰ in beiden Richtungen.

Andererseits bilden die beiden gleichphasigen Wechselstromfelder des Ständers und des Läufers im Sender ebenfalls ein Wechselstromfeld gleicher Frequenz und Phase. Dieses resultierende Feld bleibt wesentlich im ■ Räume feststehend. Jedenfalls ist sein größter Abweichungswinkel in bezug auf das Erregerfeld stets kleiner als der entsprechende Verstellungswinkel der Bürsten. Man kann somit den Läufer 'des Senders als einen Anker

·■ auffassen, der sich in einem im Räume feststehenden Wechselstromfeld dreht.

Der Empfänger R, dessen Ständer von derselben Einphasenwechselstromquelle versorgt wird, besitzt somit ebenfalls ein im Räume feststehendes Induktionswechselfeld.

Wenn der Motor infolge der Verstellung der Bürsten sich dreht, so dreht sich das Wechselstromfeld des Läufers 15 des Empfängers, welches durch die Zirkulationsströme erzeugt wird, mit derselben Geschwin- digkeit wie der Läufer des Senders.

' Nach Maßgabe dieser Drehgeschwindigkeit entsteht ein Drehmoment, welches das Bestreben hat, ständig das Drehfeld des Läufers

• des Empfängers in die Richtung des Ständerfeldes zurückzustellen. Wenn das Widerstandsmoment eine bestimmte Grenze nicht übersteigt, so kommt bei genügend starkem motorischen Moment und bei einer bestimmten Stellung der Bürsten eine Drehung des Empfängers zustande mit einer Geschwindigkeit, die synchron mit der des Senders M ist, da die Phasenänderung des durch die Bürsten gespeisten Läuferfeldes des Empfängers ständig der Phasenveränderung des Läuferfeldes des Senders entspricht, die durch die Verstellung der Bürsten bestimmt wird.

Abb. 4 zeigt einen Servomotor, welcher wie der der Abb. 3 durch Einphasenwechselstrom gespeist. wird, der aber als Reihenschlußmotor arbeitet. Wie bei der voraufgehenden Anordnung steht das resultierende Feld im Räume fest, so daß die Arbeitsweise dieselbe ist -wie die soeben beschriebene.

Abb. 5 zeigt einen Sender, der als Repulsionsmotor arbeitet. Der Sender M besitzt dieselben Teile wie die vorher beschriebenen Motoren. Der Ständer erhält Einphasenstrom, die Bürsten 5 und 6 werden kurzgeschlossen und sind um den Kollektor 4 drehbar. Die bekannte Theorie der Repulsionsmotoren zeigt, daß die Geschwindigkeit entsprechend der Verstellung der Bürsten wechselt, und daß die Umkehr stattfindet, sobald die Bürsten die Pollinie passieren. Man weiß andererseits, daß die Felder des Ständers und des Läufers in Quadratur in der Zeit und im Räume und ungleichen Maximalwertes ein elliptisches Drehfeld erzeugen, dessen Pulsation der des Stromnetzes entspricht. Damit die Fernsteuerung, wie voraufgehend, zustande kommen kann, muß der Empfänger am Ständer gleichfalls ein Drehfeld gleicher Frequenz aufweisen wie der Sender. Der Empfänger R' der Abb. 5 erfüllt diese Bedingung. Sein Läufer entspricht dem der voraufbeschriebenen Empfänger, und sein Ständer besitzt zwei Wicklungen 22, 23 in Quadratur in der Zeit und im Räume, wobei die Verstellung in der Zeit durch eine Selbstinduktionsspule 24 erzielt wird. Jede der Wicklungen 22, 23 wird im Nebenschluß durch die Einphasenleitung L gespeist. Man erhält auf diese Weise ein Induktionsdrehfeld mit der Frequenz des Stromnetzes.

Dies führt wieder zur Einrichtung der n₀ Abb. ι zurück, wenn man die Drehfelder der Ständer des Senders und des Empfängers als stillstehend und beide Maschinen als mechanisch in entgegengesetzter Richtung mit derselben Geschwindigkeit sich drehend denkt. Das resultierende Feld ist dann ein Wechselstromfeld feststehender Richtung im Räume, auf welches die voraufgegangene Theorie anwendbar ist.

Ein Unterschied besteht jedoch darin, daß bei einer gegebenen Geschwindigkeit der Gesamteinrichtung das Drehmoment des Emp-

fängers, bei einer bestimmten Verstellung seines Läufers in bezug auf seine ursprüngliche Lage, ein pulsatorisches ist infolge der elliptischen Kraft des resultierenden Senderfeldes.

Außerdem tritt am Empfänger kein Gangwechsel ein, wenn die Bürsten am Sender die Pollinie überschreiten, denn das Drehfeld kehrt lediglich am Sender um. Man erhält ίο den Gangwechsel dadurch, daß man beispielsweise die Drehrichtung des Drehfeldes des Empfängers umkehrt. So kann beispielsweise der Empfänger mit einer zweiten Wicklung 25 versehen werden, welche der Wicklung 22 entspricht, die jedoch um i8o° dazu versetzt ist. Eine der beiden Wicklungen 22, 25 wird d'ann je nach der Gangrichtung eingeschaltet. Abb. 7 zeigt eine andere Ausführungsform des Drehfeldes des Empfängers Rf₁ mittels eines Ständers mit gleichmäßig verteilter Wicklung 26, welche mit Dreiphasenstrom gespeist wird. In diesem Falle erfolgt die Speisung des Senders M mit Einphasenstrom an zwei Leitungen einer Phase der Dreiphasenleitung des Empfängers /^₁, damit die Pulsationen der beiden Drehfelder gleich bleiben und Abhängigkeit zustande kommt.

Es sei bemerkt, daß der Gangwechsel hier durch die Umkehr zweier Phasen der Dreiphasenleitung geschehen kann. Das Moment bleibt pulsatorisch, aus denselben Gründen wie in dem voraufgegangenen Beispiel. Man kann auch entsprechend Abb. 6 einen Motor M₁ mit vier Bürsten, in Quadratur, in Betracht ziehen, wovon zwei in Reihe mit dem Ständer geschaltet sind und die beiden anderen in Kurzschluß.

Wenn zur Speisung des Ganzen Einphasenstrom verwendet wird, entsteht ein kompensierter Repulsionsmotor. Die drei Ringe 7, 8, 9 gestatten, die Empfänger R' (Abb. 5) und Rf₁ (Abb. 7) in Abhängigkeit zu bringen, da das resultierende Feld dem des Repulsionsmotors entspricht, so daß die obigen Ausführungen in bezug auf diesen Motor auch für den kompensierten Motor zutreffen.

Abb. 8 zeigt eine besondere Einrichtung für Sendermotoren der obengenannten Art. Die Abbildung zeigt beispielsweise einen Reihenschlußsender. Der Ständer mit gleichmäßig verteilter Wicklung 31 trägt einen Kollektor 34, auf welchem zwei Drehbürsten 37 und 38 schleifen. Der Läufer 30 besitzt ebenfalls einen Kollektor 33, auf dem zwei feststehende Bürsten 35 und 36 schleifen. Die Ringe 39, 40, 41 sind an drei feststehende, in gleichem Abstand befindliche Punkte der Wicklung des Läufers angeschlossen und dienen wie vorher zur Speisung der Fernsteuerung. Die Verschiebung der Felder des Ständers und des Läufers erfolgt durch Verstellung der Bürsten 37, 38 auf dem Kollektor 34. Die Regulierung der Geschwindigkeit und des Gangwechsels erfolgen somit durch die Bürsten 37, 38, während die Bürsten 35, 36, die in passender Weise festgekeilt sind, in Ruhe bleiben. Diese Einrichtung ist besonders von - Bedeutung, wenn das die Ingangsetzung bewirkende Organ ein nur schwaches Kräftemoment besitzt, denn da der Kollektor 34 feststeht, wird das Reibungsmoment der Bürsten sehr erheblich verringert.

Die Abb. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Feld des Ständers 3 elektrisch verstellt wird mit Hilfe eines statischen Senders der in früheren Vorschlägen beschriebenen Art. Dieser Sender besteht beispielsweise aus einem Selbstumformer 42 mit Kollektor 43, auf dem zwei Bürsten 45 schleifen, die an die Einphasenstromquelle L angeschlossen sind. Letztere speist gleichzeitig den Läufer 4 des Sendermotors. Die drei feststehenden Punkte 47, 48, 49 der Wicklung 42 sind mit drei feststehenden Punkten des Ständers 3 des Sendermotors verbunden. Die Drehung der Bürsten 45 bewirkt die Phasenverschiebung in der Speiseleitung des Ständers 3 und damit die Ingangsetzung· des Läufers 4 in derselben "Weise wie die mechanische Verstellung der Bürsten in dem vorauf angeführten Beispiele.

Abb. 10 zeigt einen Sendermotor und einen abhängigen Empfänger, die mit Mehrphasenstrom (in dem dargestellten Beispiel mit Dreiphasenstrom) gespeist werden. Diese Einrichtung besteht:

a) aus dem SendermotorM' mit Ständer 1', dessen Wicklung an drei Punkten durch die Leitung L gespeist wird, und aus einem Läufer 2' mit Kollektor 3', auf dem drei bewegliehe Bürsten 4', 5', 6' schleifen, die ebenfalls an die LeitungL angeschlossen sind; die drei Ringe 7', 8', 9' sind ihrerseits ebenfalls mit drei festen Punkten der Läuferwicklung verbunden,

b) aus einem Empfängermotor R mit Ständer 10' gleichmäßig verteilter Wicklung, der an drei Punkten durch die Leitung L gespeist wird, und mit Läufer 11' mit drei Ringen 12', 13', 14', die durch die Leitung L₁ der Fernsteuerung gespeist werden.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende: Der Ständer und der Läufer des Senders, welche beide mit Dreiphasenstrom der Leitung!, versorgt werden, erzeugen beide ein Drehfeld. Die gegenseitige Verschiebung dieser beiden Drehfelder ist eine konstante und wird bestimmt durch die Stellung der beweglichen .Bürsten4.', 5', 6', so daß der Läufer des Senders mit bestimmter Geschwindigkeit umgetrieben wird. Verstellt man die Bürsten auf dem Kollektor, so kann man

diese Geschwindigkeit von ihrem Höchstwerte auf Null herabsetzen. Wenn man die Nullzone passiert, so wird die gegenseitige Stellung der Drehfelder des Ständers und des Läufers verändert; das Drehmoment sowie die Drehbewegung wechseln die Richtung, jedoch dreht sich der hierbei entstehende Strom stets in gleichem Sinne mit der Pulsation des Netzes.

ίο Dieser Sendermotor verändert somit Geschwindigkeit und Gang durch Verstellung • der Bürsten. Da das Feld des Senders ein Drehfeld ist und ebenso das Induktionsfeld des Empfängers R ein solches gleicher Frequenz ist, so hat das induzierte Feld eine konstante Phasenverschiebung in bezug auf das induzierende Feld, welche durch Verstellung der Bürsten des Senders bestimmt wird, so daß der Empfänger mit derselben Geschwindigkeit wie der Sender sich umdreht oder mit einer proportionalen Geschwindigkeit, wenn er eine größere Anzahl Pole besitzt. Dieser Fall deckt sich mit dem der Abb. 1, wenn man annimmt, daß Sender und Empfänger umgekehrt zum Drehfeld mitgenommen werden. Die betreffenden Felder stehen dann still, und hieraus erklärt sich, daß der Empfänger R dann von der Bewegung des Läufers des Senders M' abhängig wird.

Abb. 11 zeigt eine Anwendung des vorliegenden Übertragungssystems auf die zwangsläufige gleichzeitige Steuerung einer bestimmten Anzahl Maschinen sowie der Senderstation, wobei aber eine wesentliche Kraft Voraussetzung ist. M ist der Sendermotor der Fernsteuerung der früher beschriebenen Art mit Gangwechsel; er kann an beliebiger Stelle angebracht werden. Die Ringe B sind durch die' LeitungL₁ mit den Empfängern R₁, R₂, R_a verbunden, die die abhängigen Maschinen T₁, T₂ sowie die Station T_B steuern. Die Speisung des Sendermotors und der Empfänger kann mit beliebigen Strömen, wie oben ausgeführt wurde, erfolgen. Die Steuerung der Bürsten des Sendermotors M geschieht von der Station T₃ aus durch eine Zwangsübertragung geringer Kraft. C ist der Sender, D der Empfänger dieser Zwangs-

5.0 übertragung, welcher mit den Bürsten 'des Sendermotors gekuppelt ist, falls man die Bürsten verstellen will. Zur Zwangssteuerung der Bürsten kann man eine der in den älteren Patenten beschriebenen Vorrichtungen benutzen. Die Verstellung eines Organs geringer Kraft des Senders C gestattet somit die gleichzeitige Zwangssteuerung der abhängigen Maschinen und die synchrone Mitnahme des Empfängers der Senderstation.

Man kann selbstverständlich auch hier, statt die Bürsten zu verstellen, elektrisch die Speisephase eines der Elemente des Sendermotors verschieben.

Claims (2)

Patentansprüche: 6S

1. Verfahren zur Erzielung gleicher oder verhältnisgleicher Winkelgeschwindigkeiten an voneinander entfernten Orten mit Hilfe eines als Sender dienenden Einankerumformers, dessen Läuferwicklung an äquidistanten Punkten mit äquidistanten Punkten der Läuferwicklung synchroner Empfängermotoren verbunden und an einen umlaufenden oder ruhenden KoI-lektor angeschlossen ist, auf dem ein verstellbarer Bürstensatz schleift, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit des Senderläufers und der Empfängerläufer zwischen Null und einem Höchstwert durch Verstellung des Bürstensatzes gemeinsam geregelt wird.

2. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Repulsionsmotor als Sender, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermöglichung der Regelung der Winkelgeschwindigkeiten durch Verschiebung der Kurzschlußbürsten des Senders die Ständer der Empfängermotoren durch Wechselströme gespeist werden, die ein Drehfeld von derselben Geschwindigkeit wie das im Sender wirksame Drehfeld erzeugen, welches insbesondere durch Überlagerung zweier nach Richtung und Phase in Quadratur zueinander stehender Felder im Ständer der Empfängermotoren oder durch deren Speisung mittels eines Mehrphasenstromes erzielbar ist, dessen eine Phase den Sender speist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen