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Leonardantrieb mit Ankerstrom'begrenzung und kürzester Wendezeit Leonardantriebe
haben den Vorteil einer einerseits stufenlosen, andererseits fast verlustlosen Drehzahlregelung,
jedoch die Eigenschaft, einer Automatisierung des Betriebes, vor allem der des Umkehrvorganges,
gewisse Schwierigkeiten entgegenzusetzen. Dieser Nachteil ergibt sich aus der Feldträgheit
elektrischer Maschinen, die insbesondere beim Leonardgenerator unangenehm ist. Einer
Automatisierung .des Umkehrvorganges entspricht die Erfüllung von zwei Bedingungen:
Einerseits ein rascher Stromanstieg und andererseits die Beibehaltung eines zulässigen
Höchststromes im Ankerkreis des Motors, dessen Feld dauernd erregt bleibt. Mit anderen
Worten: Der Verlauf des vom Motor entwickelten Drehmomentes zur Verzögerung bzw.
zur Gegenbeschleunigung im Umkehrvorgang soll, über die Zeit betrachtet, einem Rechteck
entsprechen. Die bisherigen Steuerungen an Leonardantrieben hatten mehr oder weniger
alle -das gleiche Ziel, diesen rechteckigen Momentverlauf herzustellen, ohne aber
dieser Aufgabe gerecht zu werden. Denn die Feldträgheit des Leonardgenerators verhindert
einerseits ein sofortiges Ansteigen der Klemmenspannung am Motor und andererseits,
falls die Spannung erreicht ist und der Motor auf Grund seiner gekuppelten Massen
nicht gleich hochgelaufen ist, eine unerwünschte Stromspitze, die, wieder durch
die Feldträgheit des Leonardgenerators verursacht, nicht rasch genug ausgeregelt
werden kann.
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Um diese unerwünschten Vorgänge zu beseitigen, hat man verschiedene
Wege beschritten a) Um die Beschleunigung der hochlaufenden Massen zu berücksichtigen,
wird der Feldregler durch einen Schaltmotor mit einstellbarer Geschwindigkeit betätigt;
man verhindert damit die Stromspitze im Ankerkreis und erreicht bestenfalls eine
gewisse Gleichmäßigkeit des Beschleunigungsmomentes, ohne aber hinsichtlich der
Beseitigung der Feldträgheit selbst etwas zu unternehmen.
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b) In der gleichen Richtung: liegt die Verwendung eines mit einer
Schwungmasse gekuppelten Umformers zur Speisung der Feldwicklung des Leonardgenerators.
Die angeordneten Schwungnassen verzögern das Anisteigen der Erregerspannung, so
daß von einer Art Abbildung der zu beschleunigenden Massen des Leonardantriebes
gesprochen werden
kann, alles ein Vorgang, der die Wirkung der vorhandenen
Feldträgheit berücksichtigt, ohne diese selbst her,-bzusetzen oder zu beseitigen.
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c) Um eine möglichst rasche Drehzahländerung am Leonardantrieb zu
erreichen, wird eine Schnellerregung angewendet, die mittels eines Ohmschen Widerstandes
vor der Erregerwicklung erzielt wird. Dieser für den dynamischen Vorgang günstige
Widerstan( @ stellt aber einen Mehraufwand an Leistun* dar, so daß das ' Schnellerregerverhältnishöchstens
3 : i gewählt wird. Da die Zeitkonstante einer Nebenschlußmaschine 1,5 bis 3 sec
beträgt und zwecks Ersparnis an Schaltapparaten eine Hintereinanderschaltung von
Erregermaschinen erforderlich ist, so ist leicht zu erkennen, daß dieses Erregerverhältnis
zu gering ist, um den mit der Eigenart dieser Schaltung verbundenen Stromspitzen
ein Ankerkreis durch rasches Zurücknehmen der Klemmenspannung der Leonardgeneratoren
entgegenzutreten. Bei Anwendung dieser Schnellerregung ist man also weit davon entfernt,
den Erfordernissen einer Automatisierung nahe zu kommen und baut als Schutz gegen
unzulässige Stromspitzen im Ankerkreis Schalter ein, die einen 3,5- bis 4fachen
Strom sofort oder zeitabhängig abschalten.
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d) Eine weitere :@'Iöglichkeit, eine Schnellerregung mit sonst gleichem
Erfolg zu erzielen, besteht in der Verwendung einer Erregermaschine, deren Erregung
für mehr als für die nötige Klemmenspannung ausgelegt ist und deren Anfangsspannung
bei ansteigendem Strom bzw. Ausgangsspannung durch Gegenerregung herabgesetzt wird.
Diese Stoßerregung muß ebenfalls auf etwa 3 : i begrenzt werden, da eine Erhöhung
dieses Verhältnisses auf Kosten der Typenleistung der Erregermaschine geht und aus
wirtschaft-' liehen Gründen nicht zu weit getrieben werden kann.
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Obwohl es nicht an Vorschlägen ,gefehlt hat, stromabhängig die anfänglich
überhöhte Klemmenspannung des Leonardgenerators zurückzunehmen, so hat es vor allem
am geringen Verstärkerverhältnis des Nebenschlußgenerators gelegen, wenn hierdurch
das Ziel, nämlich einerseits ein rascher Stromanstieg und andererseits die Beibehaltung
eines zulässigen Höchststromes im Ankerkreis des Motors, nicht erreicht wurde. Bei
konstanter Antriebsdrelizalil ist die Nebenschlußmaschine als Verstärker aufzufassen,
deren Ausgang die Klemmenleistung und deren Eingang die Erregerleistung vorstellt,
wobei auf Grund der Feldträgheit ein exponentieller Verlauf finit der Zeitkonstante
auftritt.
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Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Anordnungen
vermieden und die eingangs dargelegte Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Erregung des
Leonardgenerators ein Zwischenbürstenverstärker (Ainplidyne) bzw. Staffelverstärker
verwendet wird. Beide Maschinen haben die Eigenschaft eines sehr liolienVerstärkerverhältnisses
(etwa ioooo : i) and einer praktisch vernachlässigbaren Zeitkonstante (etwa
0,003 sec). Der Staffel-4'i-?-rstärlzer hat den Vorteil einer günstigeren
tal>ilität, sie hängt u. a. nur von der zweiten .'_ tenz der Drehzahlschwankung
ab, während mplidyne von der vierten Potenz beeinflußt wird usw. Der Staffelverstärker
kann beispielsweise aus zwei Gleichstromankern bestehen, die in einem gemeinsamen
Feldumlaufen, das als Querfeld mit dein einen fremderregten Gleichstromanker erzeugt
wird und als -i\rbeitsfeld den anderen Gleichstromanker durchsetzt.
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Durch das hohe V erstärkerverhältnls kann eine praktisch trägheitslose
Stoßerregung verwirklicht werden, die dein Ziel einer Automatisierung, d. h. der
kürzesten Wendezeit bei einem gewünschten Höchststrom ini _\nkerkreis des Leonardantriebes
entspricht.
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Die Erfindung sei an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Der Antriebsmotor i erhält seine Spannung vorn Leonar dgenerator 2,
der vorn Drehstrominotor 3 mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben wird. Das
Feld 5 des Leonardgenerators wird durch den Zwischenbürstenverstärker G erregt.
Dieser besteht in bekannter Weise aus einem Anker, dessen Bürsten quer zu seiner
Grunderregung 8 kurzgeschlossen sind, wodurch das eigentliche Arbeitsfeld ini Anker
erzeugt wird, so daß an den senkrecht stehenden Bürsten die Abgabe der Erregerleistung
für das Feld ; des Leonardgenerators stattfinden kann. Die Wicklung 7 stellt die
Kompensation des Ankers dar. Die Grunderregung 8, die vün einer konstanten Gleichstromquelle
30 geliefert wird, ist derartig bemessen, daß sie zur Erzeugung einer mehrfach
höherer Spannung als die Erregerspannung am Leonardgenerator ausreicht. Beien Ansteigen
des Erregerstromes wird der Widerstand des Reglers 13 dazu benutzt, ein bestimmtes
Verhältnis im Nebenschluß abzugreifen und der Grunderregung in der Wicklung 9 entgegenzusetzen.
Dies hat den Zweck, den Endwert für den Dauerzustand, also nach erfolgter Stoßerregung
festzulegen. Um die dynamischen Ausgleichsvorgänge von Schwingungen zu befreien,
wird auf Grund von Erkenntnissen aus der Reglertheorie eine Rückführung verwendet.
Sie kann eine Rückführung erster oder mehrfacher Ordnung sein, was sich darin auswirkt,
daß der erste Differentialquotient bzw. der nächste oder der höherer Ordnung des
zu regelnden Vorganges,
hier der Strom, abgegriffen und auf den
Eingang des Verstärkers zur Einwirkung gebracht wird. Im vorliegenden Fall wird
am Umspanner 14 die erste Rückführung in Form der Selbstinduktionsspannung
L # dt entnommen und diese Ableitung der zu regelnden Größe verhältnisgleich
durch die Wicklung io im Eingang des Verstärkers zugeführt. Die Wicklungen ii und
12 haben .den Zweck, die Grunderregung ankerstromabhängig zu schwächen bzw. zu unterstützen.
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Der Handhebel 2o ist mit vier Steuereinheiten gekuppelt. Die Bewegung
aus der lotrechten oberen Stellung entscheidet für Rechts- oder Linkslauf des Antriebsmotors
i. Das erste Viertel der Hebelbewegung läßt die federgekuppelten Schleppteile 13,
15 und 16 so einstellen, daß durch 15 die Grunderregung, durch 13 die endgültige
Größe des Erregerstromes im Leonardgenerator 2 festgelegt wird. Dies entspricht
einer bestimmten Klemmenspannung und .damit der endgültigen Drehzahldes Antriebsmotors
i. Die Anordnung 16 bezieht sich auf die dreh= richtungsabhängige Beeinflussung
der Generatorerregung durch den unzulässigen Überstrom im Ankerkreis. Das Differentialrelais
25 gibt durch seine Lage an, ob .der Antriebsmotor i angetrieben wird oder selbst
Energie zurückliefert. Durch die Trockengleichrichteranordnung 23 wird die Abbildung
der Motor-EMK, welche durch die vom Motor angetriebene Hilfsmaschine 21 mit fremderregtem
Feld 22 erzeugt wird, in der unteren Wicklung des Differentialrelais 25 dargestellt.
Die Trockengleichrichteranordnung 24 läßt die Generatorklemmenspannung drehrichtungsunabhängig
in der oberen Wicklung des-Relais 25 erscheinen. Dieses schaltet somit, je nachdem
ob vom Läufer i Energie aufgenommen bzw. abgegeben wird, den Kontakt um. Die Spannung
am Anker der Hilfsmaschine 26, die zusammen mit dem Zwischenbürstenverstärker 6
und einer weiteren Hilfsmaschine 27 von einem Drehstrommotor 29 mit konstanter
Geschwindigkeit angetrieben wird, stellt den drehrichtungsabhängigen Istwert des
Ankerstromes dar, der in der Anordnung 31 so gerichtet wird, daß er mit einem festen
Sollwert der Maschine 27 in Differenz gesetzt wird. Nur wenn der Stromistwert überwiegt,
wird durch den Gleichrichter 32 eine Spannung an die Steueranordnung 16 weitergeleitet,
so daß, je nach dem Energiezustand des Läufers i durch die Anordnung 25 vermittelt,
eine schwächende bzw. stärkende Durchflutung in den Wicklungen i i und 12 der Erregung
am Zwischenbürstenverstärker entsteht. Wird z. B. die Drehzahl am Handhebel 2o ruckweise
eingestellt, so entsteht durch 8 eine Stoßerregung, die eine sofortige Erhöhung
der Klemmenspannung am Generator 2 verursacht. Durch die Lage am Widerstand 13 wird
der Endwert bestimmt. Falls sich der Antriebsmotor gemäß dem raschen Anstieg der
Klemmenspannung nicht sofort beschleunigt, tritt ein Überstrom auf, der bei 31 als
Spannung vermerkt wird, welche die Gegenspannung .der Maschine 27 überwiegt und
über den Gleichrichter 32 und die Anordnung 16 an die Wicklung i i weitergeleitet
wird, da das Differentialrelais 25 nach oben angezogen hat, weil durch die größere
Spannung an den Klemmen des Leonardgenerators ein Motorzustand angezeigt wurde.
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Wenn die Drehzahl auf Überdrehzahl gebracht werden soll, so wird der
Handhebel 20 noch weiter verdreht, so daß der federgekuppelte Teil sich gegen einen
Anschlag 18 legt und keine Weiterbewegung der Teile 13, 15 und 16 erfolgt, während
der unmittelbar mit dem Handhebel 2o gekuppelte Schaltarm von Teil 17 in eine Pfanne
i9 eingreift und auf diese Weise den Feldregelwiderstand von der Erregermaschine
28 des Motors i verändert. Falls dieser Vorgang ebenfalls zu heftig erfolgt, entsteht
im Ankerkreis ein Überstrom, der in der gleichen, praktisch trägheitslosen Weise,
wie vorher beschrieben, durch eine selbsttätige Zurücknahme der Klemmenspannung
am Generator 2 verhindert wird.