Regel-Transduktoren: Theorie und Anwendungen in der Regelungstechnik

466 Pages·1961·14.289 MB·German

by  Dr.-Ing. Fritz Kümmel (auth.)

Regel-Transduktoren
Theorie und Anwendungen
in der Regelungstechnik
Von
Dr.-Ing. Fritz Kiimmel
Hamburg
Mit 312 Abbildungen
Springer-Verlag
B er Ii n I Got tin gen I Heide Ib erg
1961
Alle Rechte. insbesondere das der tJberRetzung in fremde Sprachen. vorbehalten
Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestaUet.
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© by Springer-Verlag OHG. • Berlin/Giittingen/Heidelberg 1961
Sof'tcover reprint of the hardcover 1st edition 1961
ISBN-13: 978-3-642-49054-5 e-ISBN-13: 978-3-642-92818-5
DOl: 10.1007/978-3-642-92818-5
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen. Handelsnamen, Warenbezeichnungen lISW.
in diesem Buch berechtigt allch ohne besondere Kennzeichuung nicht zu der Annahmc,
daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung aIs
frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirften
Vorwort
Die Fortschritte der Regelungstechnik werden mehr und mehr durch
die Weiterentwicklung der Bauelemente wie RegIer, Verstarker oder
Stellglieder bestimmt. Unter den stetigen elektrischen Verstarkungs
elementen nimmt der Transduktor eine wichtige Stellung ein. Trotz
all seiner Vorteile ist eine gewisse Zurlickhaltung in Hinblick auf den
Einsatz von Transduktoren in Regelanlagen festzustellen. Sie hat wohl
darin ihre Ursache, daB der Transduktor, trotz seines einfachcn Auf
baus, einer Reihe von Storeinfllissen ausgesetzt ist, die durch geeignete
Dimensionierung und besondere SchaltmaBnahmen zu beseitigen sind.
Flir den projektierenden Ingenieur wird deshalb eine genauere Kenntnis
der Technik dieses Verstarkerelementes notwendig, als es beim Einsatz
von Maschinenverstarkern oder elektronischen Elementen (mit Aus
nahme der Halbleiter) erforderlich ist. Eine sachgemaB ausgrfiihrte
Regelanlage mit Transduktoren zeichnet sich dann aber auch durch
eine beispielhafte Zuverlassigkeit und Unempfindlichkeit gegenliber den
rauhen Betriebsverhaltnissen in der Industrie aus.
Der Transduktor ist ein schr schneller, aber doch nicht tragheitsfreier
Verstarker. Diese Tatsache ist bei der Bemessung des Regelkreises zu
berlicksichtigen. Sie wird aber oft auch liberbewertet. Der mitunter so
dramatisierte Kampf um die Millisekunde lohnt sich nur in Ausnahme
fallen, wenll die Regelaufgabe besondere dynamische Anforderungen
stellt. Yom Standpunkt der industriellen Verbraucher ist immer das
einfachste Regelverfahren vorzuziehen, wenll es nur den durch den
ArbeitsprozeB gestellten Anforderungen entspricht. Oft bringt hier die
Kombination von Transduktoren mit Transistorverstarkern die opti
male Losung.
Der Transduktor besteht im wesentlichen aus nichtlinearen Gliedern.
Deshalb ist seine mathematische Behandlung schwierig und unergiebig.
Sie bleibt deshalb in diesem Buch auf die Fane beschrankt, bei denen,
trotz weitgehender Idealisierung, wichtige qualitative Aussagen ge
macht werden konnen. Die physikalische Wirkungsweise steht daflir im
Vordergrund der Betrachtungen. Sie wird flir die wichtigsten Schaltungen
moglichst llickenlos erklart. Auch der EinfluB der technischen Hysterese
schleife oder einer von reiner Wirklast abweichenden Belastung auf die
statischen und dynamischen Betriebseigenschaften finden ihre Beriick
sichtigung.
I"
IV Vorwort
Der jiingsten Entwicklung folgend, werden die dreiphasigen Trans
duktoren fiir groBe Leistungen eingehend behandelt und die bei der
Ankerspeisung von Gleichstrommotoren auftretenden Probleme unter
sucht.
Der Verfasser hofft, ohne besondere mathematische oder physikalische
Kenntnisse vorauszusetzen, eine leicht faBliche Darstellung der Technik
des Transduktors und seines Einsatzes in der Regelungstechnik gegeben
zu haben. Entsprechend der Zielsetzung einer ingenieurmaBigen Dar
stellung dieses schwierigen und der AnschauUIig so wenig zuganglichen
Fachgebietes, stehen aIle Betrachtungen unter dem Gesichtspunkt der
Anwendungen. Dabei ist eine Vollstandigkeit wegen der Mannigfaltig
keit der Transduktorschaltungen und Transduktoranwendungen nicht
zu erreichen.
Das Schrifttum ist abschnittsweise am Ende des Buches zusammen
gefaBt. 1m Hinblick auf den Lehrbuchcharakter werden im Text nur
die Arbeiten zitiert, die Sonderfragen betreffen, deren Erklarung kurz
gehalten werden muBte.
An dieser Stelle m6chte der Verfasser allen seinen Mitarbeitern, in
erster Linie Ing. E. KUTZER und lng. H. WISSING danken, die eine Reihe
der in diesem Buch verwerteten Untersuchungen durchgefiihrt haben.
Dariiber hinaus gebiihrt Dipl.-Ing. G. PRELLWITZ Dank fUr wertvolle
Ratschlage bei der Abfassung des Textes und beim Lesen der Korrek
tur. Der Han8 Still AG bin ich fiir ihre Unterstiitzung verbunden.
Schliel3lich danke ich dem Verlag fur sein Eingehen auf die mannig
fachen Wiinsche.
Hamburg, im Januar 1961
F. Kiimmel
Inhaltsverzeichnis
Seite
1. Grundlagen der Magnetik . . . . . 1
1.1 Grundgesetze . . . . . . . . 1
1.2 Theorie des Ferromagnetismus 4
1.3 Weichmagnetische Werkstoffe 14
1.4 WirbelstromeinfluB 20
2. Transduktordrosseln . . 24
2.1 Wahl der Bauform 24
2.2 Ringkerndrosseln 25
2.3 . Schnittbandkerne . 29
2.4 Geschichtete Drosseln 31
2.5 Typenleistung und Bauform 39
3. Gleicbricbter . . . . . . . . . 48
3.1 Gleichrichter in Transduktoren 48
3.2 Selengleichrichter . . . . . . 50
3.3 Siliziumgleichrichter-Wirkungsweise 54
3.4 Schutz der Siliziumgleichrichter 58
3.5 Schwellwertgleichrichter 63
4. Stromsteuernde Transduktoren 66
4.1 Transduktoren mit einer Drossel 67
4.2 Drosselparallelschaltung 72
4.3 Drosselreihenschaltung mit freier Magnetisierung 79
4.4 Drosselreihenschaltung mit erzwungener Magnetisierung 82
4.5 EinfluB der technischen Magnetisierungskennlinie 87
o. Riickgekoppelte Transduktoren 91
6~ Durcbftutungsgesteuerte, spannungssteuerndc Transduktoren 97
6.1 Wirkungsweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.11 Grundschaltungen .............. 97
6.12 Transduktorelement mit idealisierter Magnetisierungskenn-
linie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.13 Transduktorelement mit rechteckiger Hystereseschleife . 105
6.14 Einphasenbriickenschaltung 112
6.2 Wirkbelastung. . . . . 121
6.21 Arbeitskennlinien . 121
6.22 'Oberlastverhalten . 128
6.23 Zeitverhalten. . . 133
6.24 Restiibergangszeit 139
VI Inhaltsverzeichnis
Seite
6.3 Verstarkereigenschaften bei induktiver Belastung. 143
6.31 Nacheilstrom 143
6.32 Kippbereich . . . . . . . . . . 147
6.4 Wirklast und Gegenspannung . . . . . 151
6.5 Induktive Blindlast mit Gegenspannung . 155
7. Spannung-Zeitfliicben gesteuerte Transduktoren 159
7.1 Grundschaltung ..... . 159
7.2 Wechselspannungs-Steuerung 161
7.3 Gleichspannungs-Steuerung 164
7.4 Widerstands-Steuerung. 166
7.5 Doppelwegschaltung . . 168
7.6 Schaltung mit Hilfskreis 171
8. Dreipbasige Transduktoren . 174
8.1 Anwendungsbereich . . 174
8.2 Dreiphasige Gleichrichtung 176
8.3 Dreiphasige spannungssteuernde Transduktoren. 178
8.31 Grundschaltungen 178
8.32 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . 182
8.33 Briickenschaltung. . . . . . . . . . . 189
8.34 EinfiuB der technischen Hystereseschleife 198
8.35 Wirkbelastung . . . 204
8.36 KurzschluBverhalten 211
8.37 Induktive Belastung 212
8.38 Oberwellen. . . . . 220
8.39 Zeitverhalten. . . . 223
8.4 Dreiphasige stromsteuernde Transduktoren. 226
8.41 Grundschaltungen 226
8.42 Sternschaltung 227
9. Transduktoranordnungen 235
9.1 BetriebsgroBen. . . 235
9.11 Einspeisung 237
9.12 Ausgangsdaten 238
9.13 Elektrische Drosseldaten 242
9.14 Steuerdaten 243
9.15 Aussteuerbereich . . . 246
9.16 Zeitverhalten. . . . . 248
9.2 Reihenschaltung von Transduktoren 252
9.3 SchutzmaBnahmen ..... 260
10. Gegentakt-Transduktorscbaltungen . 264
10.1 Anwendungsbereich . . . . . 264
10.2 Grundschaltungen . . . . . . 265
10.3 Anpassung an den Verbraucher 267
10.4 Ausgleichsvorgange bei induktiv gekoppelten Transduktoren 274
Inhaltsverzeichnis VII
Seite
11. Schalttransduktoren 283
11.1 "Oberkritische Riickkopplung von durchflutungsgesteuerten
Transdu ktoren . . . . . . 284
11.2 Kippgeneratoren ..... 288
11.3 Begrenzungstransduktoren . 289
11.4 Spannung-Zeitflachen gesteuerte Schalttransduktoren 291
12. Transduktoren als Regelkreisglieder 294
12.1 Aufbau von Regelkreisen ... 294
12.2 Eigenschaften von Transduktor-Regelkreisgliedern. 297
12.21 Stelltransduktoren . 297
12.22 Regeltransduktoren. . . . . . . . . 301
12.3 Stabilisierung durch verteilte Riickfiihrungen. 305
12.31 Allgemeine Stabilitatsbedingungen . . 305
12.32 EinfluB von nachgebenden Riickfiihrungen 310
12.4 Transduktorregler . . . . . . . . . . . 315
12.41 Grundsatzlicher Aufbau ..... 315
12.42 Beschaltung der Einzeltransduktoren 317
12.43 "Obergangsfunktion des Reglers 325
12.5 Regelanlagen 329
13. Stellantriebe. . . 333
13.1 Stellmotoren 334
13.2 Gleichstromantriebe 336
13.3 Wechselstromantriebe 340
14. Ankerspeisung von Gleichstrommotoren . 349
14.1 Betriebseigenschaften des Gleichstrommotors 350
14.2 Phasenzahl des Transduktors . . . . . . . 355
14.3 Arbeitskennlinien . . . . . . . . . . . . 361
14.4 Eigenschwingungen und ihre Unterdriickung 364
14.5 Dynamische Eigenschaften .... 369
14.6 Bremsung . . . . . . . . . . . 371
14.7 Gesteuerter und geregelter Antrieb 374
15. MeBtransduktoren . . . . . . . . 379
15.1 Anforderungen der MeBtechnik 379
15.2 Gleichstromwandler . . . . . 381
15.3 Transduktorische MeBverstarker . 386
15.4 Nullspannungstransduktoren . . 389
16. Transduktoren in der Antriebstechnik . 392
16.1 Wesen der Antriebstechnik . 392
16.2 Antriebe fiir Kaltwalzwerke 394
16.3 Mehrmotorenantriebe .... 402
16.4 Antriebe mit Belastungsausgleich 407
16.5 Antriebe hoher Fiihrungsgenauigkeit 409
VIn Inhaltsverzeichnis
Seite
17. Transduktoren zur Spannungsregelung 411
17.1 Regelung von Gleichstromgeneratoren 411
17.2 Regelung von Drehstromgeneratoren . 415
18. Speisung ruhender Verbraucher 422
18.1 Einstellbare Spannungsquellen 422
18.2 Transduktoren mit nichtlinearer Belastung 425
18.3 Frequenzvervielfacher . . 429
19. Transduktoren mit Transistoren 431
Schrifttum . . 438
Sachverzeichnis 449
Verzeichnis der Formelzeirhen
a Schenkelbreite Strom, Scheitelwert
as Aussteuergrad, bezogener Aus- Strom, Maximalwert
steuerbereich Arbeits-(Ausgangs-)strom
A. Eisenquerschnitt Kurzschluflstrom
A, Fensterquerschnitt Nenn-Arbeitsstrom
Ag wirksame Gleichrichterfliiche la/lam
As Aussteuerbereich Bremsstrom
As, Schenkelquerschnitt Beschleunigungsstrom
Asl Streuquerschnitt Koerzitivstrom
B Induktion Koerzitivstrom bezogen auf N a
maximale Induktion Koerzitivstrom bei Nennfrequenz
Remanenz Koerzitivstrom bei f = 0
Steuerinduktion Drosselstrom
Siittigungsinduktion Erregerstrom
Streuinduktion Gleichrichter-DurchlaBstrom
Restinduktion Steuerstrom
Kompensations-Kondensator Steuerstrom bezogen auf N a
Paketdicke, Durchmesser Strom der 3. Harmonischen
Auflendurchmesser Formfaktor
Innendurchmesser Riickkopplungsfaktor
e Elektromotorische Kraft Zeitfaktor (TjL: m)
EM Elementarmagnet Wickelfaktor
I Frequenz Drosselpreis
I fPo Grenzfrequenz mittlere Eisenwegliinge
th Speisefrequenz Luftspaltliinge
Is Steuerfrequenz mittlere Streufluflliinge
F Zugkraft mittlere Windungsliingc
F(w) Frequcnzgang Selbstinduktion
Fo(w) Frequenzgang des aufgeschnit- Belastungsinduktivitat
tenen Regelkreises Hauptinduktivitat
Fr(w) Frequenzgang der Riickfiihrung Steuerinduktivitat
g Gegenspannungsverhiiltnis Siittigungsinduktivitat
Gegenerregungsverhiiltnis Streuinduktivitiit
G Giitefaktor Restinduktivitiit
Wirbelstromdichte bezogener Steuerkreis- N2
Blechdicke, FensterhOhe leitwert R8
magnetische Feldstiirke Drehmoment s
Koerzitivkraft Bremsmoment
Koerzitivkraft bei Nennfrequenz maximales Moment
Magnetisierungsfeldstirke Drehzahl
Feldstiirke bei N ennstrom Windungszahl
Strom, Mittelwert Arbeitswicklung
Strom, Effektivwert Gegenkopplungswicklung
Strom, Augenblickswert Riickkopplungswicklung
II Kiimmel, Regel-'l'ransduktoren
X Vpl'zpiehnis del' Formelzeiehen
N. Steuel'wieklung Uelf Spannung, Effektivwert
N. Vorstromwieklung u Spannung, Augenbliekswert
p Heaviside-Operator f; Spannung, Seheitelwert
Pa Ausgangsleistung Um Spannung, Maximalwert
Pb Bremsleistung Ua Ausgangsspannung
Pe Erregerleistung Ud Drosselspannung
P, Steuerleistung Uak K-te Oberwelle d_ Ausgangs-
Ptd Transduktorleistung spannung
PIli Typenleistung Spannung an der gesattigten
p. Verlustleistung Ud8" Drossel
Ped Gleichrichter-Durchla13verluste Ug Generatorspannung
pv• Gleichrichter-SpeITverluste Ugd Gleichrichter-Durehlal3spannung
Pve Eisenverluste UgS Gleichrichter-Sperrspannung
P" Kupferverluste, 0 berwellen- U" Speisespannung
leistung Uist Istspannung
P"a Kupferverluste U8 Steuerspannung
Arbeitswicklung U Schleusenspannung
sl
PIJ) Wechselstromleistung Usoll Sollspannung
Ta Widerstand Arbeitswieklung Ut Spannung der Tachometerma-
Tg Gleichrichter Durchla13wider- schine
stand Uz Zusatzspannung
Tk Kupferwiderstand v Geschwindigkeit
T"a Kupferwiderstand Arbeitswiek- V
} Spannungsverstarkung
lung VU
T. Kupferwiderstand Steuerwiek- V- kritische Verstarkung
lung Vo Verstarkung des aufgeschnittenen
Ra Arbeitswiderstand Regelkreises
Ran Nenn-Arbeitswiderstand Vi Kreisverstarkung 1-Transduktor
Rav Widerstand T D-Arbeitskreis Vm maximale Verstarkung
Ri Innenwiderstand Vp Leistungsverstarkung
R" Kompensationswiderstand Vp Proportionalverstarkung
Rs Steuerkreiswiderstand Vpd Kreisverstarkung P D-Trans-
8 Stromdichte duktor
t Zeit Transduktorverstarkung
V'd
~,J Zeitkonstante Va Durehflutungsverstarkung
Transduktorzeitkonstante W Warmeflul3
Ta Arbeitskreis-Zeitkonstante WB Weillsche Bezirke
'I'am Ankerzeitkonstante Motor Xa Arheitsreaktanz
TD Transduktor X" Hauptreaktanz
T e Erregerzeitkonstante X,g Sattigungsreaktanz
T" Hauptzeitkonstante X,t Streureaktanz
Tm mechanische Anlaufzeitkonstante XIJ) Regelabweichung
Tn Zeitkonstante des Nacheilkreises, X", Restreaktanz
Nachstellzeitkonstante Za Belastungsimpedanz
Tr Riickfiihrzeitkonstante Zi innere Impedanz
Tsg Sattigungszeitkonstante
TSI Streuzeitkonstante "'1 Sattigungswinkel
Tt Totzeit "'2 Entsattigungswinkel
Tta auJlere Totzeit "'a Phasenwinkel des Arbeitskreises
Tit innere Totzeit "'i Stromflul3winkel
Tv Vorhaltzeitkonstante Ottli Warmeiibergangszahl
U Spannung, Mittelwert e Absorptionsverhaltnis