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Umkehrregeleinrichtung für Gleichstronunotoren mittels Brückenschaltung
In den verschiedensten Zweigen der Technik wird vielfach die Aufgabe gestellt, Gleichstrommotoren,
insbesondere solche von kleiner Leistung von etwa i kW und darunter, in einfacher
Weise in der Drehzahl zu regeln und außerdem für verschiedene Drehrichtungen umzuschalten.
Derartige Antriebe werden z. B. benötigt für Werkzeugmaschinen aller Art, für Spulenwickelmaschinen,
für Papiermaschinen, Nähmaschinenantriebe, kurz für alle elektrischen Antriebe,
bei denen die Drehzahl und die Drehrichtung variiert werden muß. Für diese Antriebe
hat man bisher . vielfach die bekannte-Leonardschaltung verwendet, welche zwar eine
durchaus brauchbare Lösung der gestellten Aufgabe darstellt, dabei aber die Anlagekosten
ganz erheblich belastet.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Umkehrregelung für Gleichstrommotoren,
bei der die teure- Leonardschaltung vermieden wird, bei der aber trotzdem die gestellte
Regelaufgabe in außerordentlich einfacher und zweckentsprechender Weise gelöst wird,
wobei der zu regelnde Gleichstrommotor in die Diagonale einer aus Regelwiderstände.
gebildeten Brückenschaltung geschaltet wird. In der Nullstellung (Stillstand) sind
alle vier Brückenwiderstände gleich groß, so daß zwischen den Motorklemmen keine
Spannungsdifferenz besteht. Werden zwei einander gegenüberliegende Regelwiderstände
(i) und (2) verkleinert, während= die beiden übrigen (3) und (4) gleichbleiben oder
vergrößert werden, so läuft der Motor an, und zwar läuft er um so schneller, je
größer der Unterschied. zwischen (3) -f- (4) und (i) + (2) ist. Werden dagegen (3)
und (4) verkleinert und (i) und (2) bleiben gleich bzw. werden vergrößert, so läuft
der Motor, dessen Feld konstant ist, in entgegengesetzter Richtung an. Bei der Regeleinrichtung
nach der Erfindung wird also die bekannte Erscheinung der Wheatstoneschen Brücke
ausgenutzt, nach der in der Diagonale der Brücke ein Strom fließt, der nach Größe
und Richtung von der Größe der in den Brückenzweigen liegenden. Widerstände abhängt.
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Eine besonders zweckmäßige Regeleinrichtung ergibt sich, wenn gemäß
der Erfindung als Regelwiderstände druckabhängige Widerstände, insbesondere Widerstände,
welche aus Kohleteilen, wie Kohlekörnern, Kohlescheiben o. dgl., aufgebaut sind,
verwendet werden. Man kuppelt das Betätigungsorgan des Reglers (Hebel, Knüppel,
Handrad o. dgl.) mit den druckabhängigen Widerständen derart, daß mit zunehmender
Abweichung des Betätigungsorgans von einer Mittelstellung der Druck, welcher auf
zwei in der Brückenschaltung einander gegenüberliegende Widerstände ausgeübt wird,
erhöht, der Druck auf die beiden übrigen Widerstände erniedrigt wird, so daß der
wirksame elektrische Widerstand ersterer beiden Widerstände entsprechend vermindert,
der Widerstand der letzteren erhöht wird. Die Verwendung druckabhängiger Widerstände,
insbesondere von Kohledruckwiderständen, ermöglicht einfachen konstruktiven Aufbau
und bringt den für derartige Widerstände vielfach ausgenutzten Vorteil mit sich,
daß der Widerstandswert
stetig geändert werden, kann, ohne daß
es 1 notwendig-ist, mit Hilfe von Kontakten stromführende Stromkreise zu öffnen
oder zu schließen. Ferner ergibt sich noch ein Vorteil, welcher für Lie vorliegende
Regelaufgabe besonders wichtig st. Die Drehrichtung und Drehzahl des zu teuernden
Motors hängt von der Lage eines iteuerhebels ab, der mit den Widerständen nechanisch
gekuppelt ist und sie mehr oder veniger zusammendrückt. Je größer der Aus-.chlag
des Steuerhebels gegenüber seiner Mitteltage ist, um so mehr nimmt die Drehzahl
des zu regelnden Motors zu. Bildet man die Über- !, tragungsorgane zwischen dem
Regler und dem druckabhängigen Widerstand derart aus, daß die zur Verstellung des
Reglerhebels notwendige Kraft mit zunehmendem Reglerausschlag zunimmt, so fühlt
der den Regler Bedienende am Steuerhebel unmittelbar die Zunahme der Drehzahl. Es
wird also zwangläufig ein Zusammenhang zwischen der Reglerbedienung und der jeweils
eingestellten Drehzahl des Motors hergestellt. Man kann es leicht erreichen, daß
der Ilebel bei Loslassen selbsttätig in die Nullage zurückgeht, so daß der Motor
zum Stillstand kommt, wenn der Bedienungsmann den Apparat verläßt. Natürlich ist
es auch möglich, durch Verwendung selbstsperrender Übertragungsglieder o. dgl. den
Regler so auszubilden, daß er in jeder Lage steheubleibt.
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In der Zeichnung ist in. Fig. i die Anordnung der Widerstände und
des zu regelnden Motors dargestellt. Vier Kohledruckwiderstände i, 2, 3, 4 liegen
an den Sammelschienen 5 und 6 einer Gleichstromquelle. In der Diagonale der aus
den Widerständen gebildeten Brückenschaltung liegt der zu regelnde Gleichstrommotor
7. Sein Feld ist konstant erregt. In Fig. 2 ist als Beispiel eine konstruktive Aus-Bildung
der Regeleinrichtung angegeben. Der Reglerhebel 8 ist in seiner Mittellage gezeichnet.
Dreht man ihn im Uhrzeigersinne, so wird der auf die beiden Kohledruckwiderstände
i und 2 ausgeübte Druck erhöht und deren Widerstandswert dadurch dem Druck entsprechend
verkleinert. Der Motorstrom, welcher in der Mittellage des Reglerhebels gleich Null
war, fließt jetzt beispielsweise vorwiegend (vgl. Fig. i) von der Sammelschiene
6 durch den Widerstand i zu dem Motor 7 und von diesem durch den Widerstand 2 zur
Sammelschiene 5. Die Widerstände können so bemessen werden, daß der wirksame elektrische
Widerstand bei vollständiger Druckentlastung so groß ist, daß in diesem Falle praktisch
kein Strom durch die Widerstände fließt. Hierbei erhält der Motor bei kleinen Drehzahlen
einen starken Reihenschlußcharakter. Ist dies unerwünscht, so kann der Reihenschlußcharakter
dadurch gemildert werden, daß man die Widerstände so wählt, daß stets, auch bei
Drehzahl Null, ein erheblicher Strom am Motor vorbei durch die Widerstände hindurchfließt.
Wird der' Reglerhebel8 entgegen dem Uhrzeigersinne gedreht, so wird der auf die
Widerstände i und 2 ausgeübte Druck zunächst verkleinert, bis in der Mittellage
des Reglerhebels Gleichgewicht hergestellt ist und der Motor stillsteht. Dreht man
den Reglerhebel im gleicher< Sinne weiter, so wird der auf die Widerstände 3
und 4 ausgeübte Druck erhöht, und der Motorstrom fließt nunmehr in der entgegengesetzten
Richtung, d. h. von der Sammelschiene 6 (Fig. _) durch den Widerstand 3 zu dem Motor
7 und von dem Motor 7 durch den Widerstand 4 zur ' Sammelschiene 5. Der Motor läuft
jetzt in der entgegengesetzten Drehrichtung um. Wie aus Fig.2 ersichtlich, kann
man zwischen den Reglerhebel 8 und die Widerstände noch Dämpfungsfedern 9 einschalten.
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Untersuchungen, welche an einer Steuerungseinrichtung nach der Erfindung
angestellt wurden, haben ergeben, daß sich die im folgenden beschriebene Bauart
von Kohledruckwiderständen für die Steuerung ganz besonders gut eignet.
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Der allgemein, übliche Kohledruckwiderstand wird bekanntlich aus einer
mehr oder weniger großen Anzahl von Kohlescheiben aufgebaut, welche eine Kohlensäule
bilden. Der so gebildete Kohledruckwiderstand hat den Nachteil, daß der elektrische
Widerstand nicht geradlinig, sondern nach einer hyperbelähulichen Kurve von dem
auf ihn ausgeübten Druck abhängig ist. Dieser Nachteil läßt sich beseitigen, wenn
man in die Mechanik des Reglers Kniehebel, Kurvenscheiben o. dgl. einbaut. Eine
einfachere Lösung ist die Verwendung von Kohlewiderständen, die aus Kohlespiralen
aufgebaut sind und bei denen der Querschnitt der einzelnen Spiralen derart bemessen
ist, daß sich praktisch eine geradlinige Abhängigkeit zwischen dem Druck und dem
wirksamen elektrischen Widerstand ergibt. Man kann die Bemessung des Querschnittes
der einzelnen Kohlespiralen auch derart wählen, daß die Widerstandsänderung in Abhängigkeit
von dem Druck einer bestimmten gewünschten Regelgenauigkeit angepaßt ist. @ Will
man beispielsweise in, den Endlagen des Reglers die Empfindlichkeit erhöhen, so
kann man durch Bemessung der Spiralen erreichen, daß ein bestimmter Reglerweg in
der Endstellung des Reglers eine geringere Drehzahländerung bewirkt als in. der
Nähe der Mittellage. In Fig. 3 ist ein- derartiger Widerstand gezeichnet. Wie ersichtlich,
ist der Querschnitt der Spiralen, in dem oberen Teil des Widerstandes geringer als
in dem unteren Teil. Beim Zusammendrücken des Widerstandes werden, zunächst die
oberen Windungen der Spirale einander näher gebracht, bis sie sich vollständig berühren.
Mit zunehmendem Druck
geht der Widerstandskörper allmählich auf
seiner ganzen Länge in einen Hohlzylinder über. Will man bei vollständig zusammengedrücktem
Widerstand noch den Eigenwiderstand der Kohlensäule vermeiden, so kann man, wie
bereits vorgeschlagen worden ist, die einzelnen Windungen der Kohlespirale mit metallischen
Belegungen io versehen. Durch diese Verbindung wird der Widerstand in vollständig
zusammengedrücktem Zustand kurzgeschlossen, so daß der elektrische Widerstand dann
praktisch gleich Null ist. Verwendet man einen derartigen Schraubenwiderstand bei
einer Regeleinrichtung nach der Erfindung, so erhält man einen außerordentlich einfachen
konstruktiven Aufbau des Reglers und günstige Regelbedingungen. Der schraubenförmige
Widerstand hat außerdem den Vorteil, daß die zur Verfügung stehende Spannung bis
zu ihrem vollen Wert ausgenutzt werden kann, weil der Widerstand bis auf den Wert
Null herabgeregelt werden kann.
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An Stelle der in Fig. 2 dargestellten Anordnung des zur Änderung des
Druckes dienenden Reglerhebels lassen sich naturgemäß auch andere Übertragungsarten
anwenden. Eine besonders zweckmäßige Anordnung der einzelnen Reglerteile ist beispielsweise
in den Fig. 4 und 5 wiedergegeben. Fig. 4 zeigt den Regler in Aufsicht, während
Fig. 5 die Seitenansicht darstellt. Auf einer Grundplatte 12 sind vier nach Fig.
3 hergestellte Kohledruckwiderstände 13, 14, 15 und 16 mit parallelen Achsen angeordnet.
Die Widerstände sind in den Stromkreis des zu regelnden Motors derart geschaltet,
daß die Widerstände 13 und 14 beispielsweise den Widerständen i und 2 und die Widerstände
15 und 16 den Widerständen 3 und 4 der Schaltung nach Fig. i entsprechen. Zum Zusammendrücken
der Widerstände dient ein für beide Widerstände gemeinsames Druckstück 17 bzw. 18,
durch das je zwei Widerstände zusammengedrückt werden. Der Reglerhebel ig ist durch
eine Hebelübersetzung 2o, 21 mit den Druckstücken 17 und 18 gekuppelt, so daß bei
dem Ausschlag des Reglerhebels ig nach der einen oder anderen Seite das eine Paar
der vier Widerstandsaulen zusammengepreßt wird. Je nach den äußeren Abmessungen
der Widerstandsaulen, die von der Leistung des Motors abhängen, wählt man zweckmäßig
das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Reglerhebel und dem zum Zusammendrücken
der Widerstände notwendigen Druckweg derart, daß sich für den Regelweg des Hebels
ig und die an ihm auszuübende Kraft günstige Verhältnisse ergeben. Man kann den
Übertragungsmechanismus zwischen Reglerhebel und Kohlewiderstand auch noch so ausbilden,
daß der Regler in den Endstellungen, d. h. in den den größten Motordrehzahlen entsprechenden
Stellungen, festgehalten wird. Dies läßt sich beispielsweise durch Anordnung einer
in den Endstellungen zur Wirkung kommenden Kniehebelübersetzung erreichen. In sehr
einfacher- Weise läßt sich bei diesem Regler die Steuerung zweier Motoren kombinieren.
Wenn eine Einrichtung mehrere Bewegungsfreiheiten hat, wie z. B. bei einem Hub-
und Fahrwerk, so können, die Regler für den Hub- und Fahrmotor leicht so kombiniert
werden, daß sie von einem gemeinschaftlichen Steuerhebel betätigt werden.- Der Steuerhebel
wird so angeordnet, daß die gewollte Bewegung des Hub- und Fährwerks mit der- Richtung
übereinstimmt, nach der der Reglerhebel ausgelegt wird.
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Eine Steuerungseinrichtung nach der Erfindung kann nicht nur zur Umkehrregelung
für Gleichstrommotoren verwendet werden, sondern auch zur Steuerung der Größe und
Richtung des Arbeitsstromes bei anderen Stromverbrauchern, also beispielsweise zur
Regelung des Stromes in Erregerwicklungen von Gleichstrommaschinen. Man kann einen
besonders großen Drehzahlregelbereich erhalten, wenn man einen Regler für den Ankerstrom
und einen für den Feldstrom kombiniert, so daß in den unteren Drehzahlen (kleiner
Ausschlag des Steuerhebels) die zugeführte Ankerspannung geregelt wird, während
bei hohen Drehzahlen (großer Ausschlag des Hebels) auch der Feldstrom beeinflußt
wird. Auch für Wechselstrommotoren kleiner Leistung, insbesondere für Kleinmotoren,
die in gleicher Weise für Wechselstrom und Gleichstrom bemessen sind, kann die Regeleinrichtung
mit Vorteil verwendet werden.