Предлагаемое изобретение касается устройства для поддержания постоянства частоты и относительного сдвига фаз систем переменного тока с целью синхронизирования и поддержания постоянным числа оборотов вращающихся механизмов. Изобретение предназначается для тех случаев, когда требуется чрезвычайная точность преследуемого эффекта, например, при телеграфной передаче сообщений и изображений, для синхронизирования работы аппаратов, применяемых на отправительной и приемной станциях.
Кроме того, предлагаемое изобретение имеет целью поддержание постоянным числа оборотов машины высокой частоты в комбинации с установкой для, умножения частоты. В этой области техника регулирования числа оборотов, благодаря конструкции регуляторов, работающих по принципу известных регуляторов напряжения Тирриля, уже сделала возможным генерирование волн длиною до 300 м машинным путем, при обеспечении такого же постоянства длины волны, какое до этого времени достигалось исключительно при применявшихся на практике катодных лампах. При генерировании еще более коротких волн трудности регулирования постоянства числа оборотов возрастают, и именно в этой области предлагаемое устройство дает возможность удовлетворить таким повышенным требованиям.
Преследуемая синхронизированием такого рода цель состоит в том, что при малейшем отклонении от нормального состояния (синхронизма или нормального числа оборотов) мгновенно должны приходить в действие силы, противодействующие таким отклонениям и восстанавливающие нормальное состояние без каких-либо явлений инерции так, чтобы заметное отклонение от нормального состояния вообще не могло возникнуть и подавлялось немедленно в самом начале возникновения. Многое в этом отношении уже было достигнуто применением вышеупомянутых регуляторов числа оборотов и дало на практике успешные результаты. Однако, как при этих, так и при других известных устройствах, тормозящий или замедляющий эффект получает возможность проявить свое действие лишь в зависимости от момента проявления явлений ускорения или замедления, так что приходится считаться всегда с некоторой, хотя и незначительной, механической инерцией, каковое обстоятельство в большинстве случаев не имеет значения, когда дело идет об обычных технических частотах, но уже не дает возможности удовлетворить тем требованиям, которые возникают, когда речь идет об очень высоких частотах и чрезвычайно высокой точности регулирования, как это и имеет место при упомянутых выше практических примерах.
В виду этого, согласно предлагаемому изобретению, влияния, противодействующие минимальным отклонениям от нормального состояния, вызываются к действию не процессами ускорения или замедления, но приводятся в зависимость от изменения совершенно безынерционно реагирующего фактора, а именно от относительного сдвига фаз, возникающего между контролируемой и особой нормальной или синхронизирующей частотами. Обе частоты, как контролируемая, так и та, которая служит вспомогательной частотой, накладываются друг на друга. Результирующие изменения тока, возникающие от взаимных изменений фаз, и переходящие установленное предельное значение разности фаз, отвечающее установившемуся режиму, утилизируются для управления устройством, корректирующим эти отклонения от нормального состояния. В качестве вспомогательной частоты может служить, например, в случае синхронизирования нескольких вращающихся приспособлений, синхронизирующая частота, заимствованная от одного приспособления и посылаемая к синхронизируемому механизму, или же эта частота, когда дело идет о регулировании числа оборотов вращающихся механизмов, может представлять собой нормальную частоту постоянного значения, генерируемую каким-либо известным устройством. В качестве устройства для корректирования отклонений фаз можно применить какое-либо из известных приспособлений, как-то: тормоз, действующий вихревыми токами, шунтовой регулятор и т.п. Так как изменения фаз и обусловленные ими изменения результирующей обоих наложенных друг на друга переменных токов (контролируемого переменного тока, с одной стороны, и постоянного, по своему значению вспомогательного, переменного тока, с другой стороны) происходят совершенно без инерции, то воздействие является мгновенным, в предположении, конечно, что служащие для корректирования приспособления работают также практически безынерционно, - так что относительные изменения фаз и чисел оборотов вообще не могут возникать.
Возможна также комбинация предлагаемого устройства, предназначенного для точного и тонкого регулирования, с грубым регулированием, осуществляемым, например, путем применения регулятора Тирриля, в каковом случае предлагаемое устройство имеет назначением исключительно выравнивание неравномерностей, возникающих в пределах грубого регулирования.
На чертеже фиг. 1 изображает схему предлагаемого устройства; фиг. 2-4 - диаграммы для пояснения действия устройства для большего числа вращающихся механизмов; фиг. 6 - схему устройства с применением регулятора Тирриля; фиг. 7 - то же в другой форме выполнения; фиг. 8 - схему применения устройства для осуществления телефонии на равных волнах.
В предлагаемом устройстве, с целью поддерживания в синхронном вращении вращающегося механизма 1 (фиг. 1), например, приемного валика радиотелеграфного аппарата, с подобным же валиком на передаточной станции, отводят и направляют по проводам или беспроволочным путем к приемной станции синхронизирующую вспомогательную частоту от находящегося на передаточной станции механизма, с которым должен быть синхронизирован механизм 1 так же, как и отправительный валик. На приемной станции ток постоянной вспомогательной частоты протекает по катушке 2. На общем валу с синхронизируемым механизмом 1 сидит зубчатый железный диск 3, который при своем вращении проходит зубцами мимо якоря 4 и, следовательно, генерирует в обмотке 5 последнего переменный ток, частота которого зависит от числа зубцов и скорости вращения диска. С той же целью можно применить также и другое подходящее приспособление для генерирования переменного тока, зависящего от скорости вращения синхронизируемого механизма 1. Для регулирования магнитной индукции, а с нею и получаемого в обмотке напряжения, служит цепь постоянного тока, намагничивающего сердечник якоря 4, каковая цепь состоит из батареи 6, дополнительной обмотки 7 на сердечнике и регулировочного реостата 8.
Переменный ток с определенной частотой и фазой, генерируемый, таким образом, в обмотке 5 синхронизируемым механизмом 1, пропускается через обмотку 9 и совместно с синхронизирующим током, приходящим с отправительной станции и протекающим через катушку 2, передается на катушку 10, где оба тока накладываются друг на друга. Результирующий ток, протекающий в катушке 10, подводится к катодной лампе 11, в анодную цепь которой включена питающая батарея 14 и обмотка 12 влияющего на синхронизируемый механизм 1 и сидящего на одной с ним оси тормоза 13, действующего вихревыми токами. Для установления наиболее благоприятных соотношений сетке катодной лампы можно сообщить предварительное напряжение или же, соединяя катушку 12 тормозного магнита с подходящей вольтдобавочной батареей, получить некоторую предварительную нагрузку на тормоз. Равным образом, для этой цели применима особая обмотка, питаемая вольтдобавочной батареей и помещаемая, по желанию, на отдельном тормозном магните. В этом случае представляется целесообразным соединить анодную цепь лампы 11 с обмоткой 12 через передаточный трансформатор.
Кривая результирующего тока, генерируемого в обмотке 10, в зависимости от относительного сдвига фаз +Δφ изображена на фиг. 2. При этом разность фаз Δφ исчисляется между неизменной синхронизирующей или контрольной частотой а (фиг. 3 и 4) и изменяющейся синхронизируемой или поддерживаемой на постоянном значении частотой b. Если обе частоты равны и совпадают по фазе, т.-е. Δφ=0, то результирующий ток с получает свое максимальное значение и равен алгебраической сумме обоих токов a и b. Если же ток b отстает от тока а, т.-е. Δφ имеет отрицательное значение, то происходит постепенное убывание результирующего тока, пока при максимальном Δφ=-180° он не обратится в нуль. То же происходит, когда b опережает а, т.-е. Δφ приобретает положительные значения, при чем и здесь при максимальном Δφ=+180° результирующий ток обращается в нуль.
Для практической работы имеет значение область изменения фаз от нуля до -180°, которая поэтому в дальнейшем называется устойчивой областью, отмеченной на фиг. 2 штриховкой, тогда как другую часть кривой, охватывающую изменения Δφ от нуля до +180°, можно назвать неустойчивой областью. В самом деле, только в том случае, когда для нормального состояния (синхронизм, нормальное число оборотов) разность фаз при установившемся режиме работы лежит в пределах от Δφ=0 до Δφ=-180°, например, при -90°, возможно мгновенное ускорение механизма, которое вызывает убывание абсолютной величины -Δφ и возрастание результирующего тока, а следовательно, и усиление тормозящего эффекта, противодействующего тенденции к ускорению. Наоборот, при мгновенных замедлениях абсолютное значение -Δφ возрастает, вызывая, как это показывает кривая, ослабление результирующего (тормозящего) тока, так что возникает ускорение, выравнивающее тенденцию к замедлению. Эти соотношения выявляются еще более отчетливо диаграммами, изображенными на фиг. 3 и 4. Совершенно обратное происходит, когда работа ведется на участке кривой, лежащем между 0 и +180° (фиг. 2), так как здесь при тенденции к замедлению тормозящий эффект получается возрастающим, что ведет к выпадению из такта. Чувствительность регулирования, как видно из кривой, будет тем тоньше, чем круче участок кривой, на котором ведется работа. Поэтому представляется целесообразным работать еще ниже, чем при упомянутой нормальной разности фаз, соответствующей Δφ=-90°, так как в этом случае уже минимальные отклонения в разности фаз вызывают значительные изменения результирующего тока. Такой способ работы является желательным особенно тогда, когда более значительные толчки выравниваются грубо регулирующим устройством, которое препятствует выпадению из такта при слишком большом приближении к Δφ=-180°. Практически установка синхронизма получается в наиболее простом виде, если постепенно повышать до синхронной частоты число оборотов приводного двигателя синхронизируемого устройства (например, посредством выключения шунтового регулятора в случае применения шунтового электродвигателя постоянного тока), при чем включенный в цепь лампы 11 (фиг. 1) амперметр показывает сперва энергичные колебания тока, тогда как при приближении числа оборотов к синхронному значению и при приближении частоты генерируемых в обмотке 5 токов к синхронной частоте колебания тока все замедляются и, наконец, при установке механизма, соответствующей устойчивой, области работы, наблюдаются лишь медленные колебания стрелки амперметра относительно ее среднего положения.
Вместо одной лампы, в устройстве можно применить несколько, например, на фиг. 5 включены каскадом две лампы 11 и 15. Это является, однако, всецело делом техники усиления, поскольку задача включения нескольких ламп заключается лишь в том, чтобы минимальные изменения тока, обусловленные самыми минимальными отклонениями в разности фаз, приводились при посредстве безынерционно работающих усилителей (катодных ламп) к необходимому для приведения в действие корректирующего механизма значению. Равным образом, вместо тормоза, действующего вихревыми токами, можно, как это уже указано выше, применить всякое другое устройство для той же цели; так, например, можно влиять на поле самого приводного двигателя. Для того, чтобы достигаемый использованием изменения фазы и применением безынерционных усилителей эффект безыинерционной работы не уничтожался снова частично электромагнитной инерцией обмотки вихревого тормоза, можно, согласно дальнейшему видоизменению предлагаемого изобретения, включать одну или несколько катодных ламп так, чтобы они работали как выпрямители (конденсатор или ответвленное сопротивление сетки), или же применять другую известную в технике выпрямительную схему, при которой на обмотку вихревого тормоза действовали бы не токи высокой частоты, но токи, выпрямленные и соответствующие среднему значению тормозящего эффекта. В этом случае влияние электромагнитной инерции обмоток уменьшается до такой степени, что практически им можно пренебречь. По мнению изобретателя, особенно целесообразной оказалась при этом практическая форма выполнения, изображенная на фиг. 5 и заключающая в себе две лампы. Вторая лампа 15 расположена позади первой и действует благодаря конденсатору 16 и сопротивлению 17 у сетки как выпрямитель. Анодный ток этой второй лампы влияет на второй вихревой тормоз 18 с тормозной обмоткой 19, сидящий на общем валу с первым.
В видоизменении устройства для регулирования числа оборотов машины высокой частоты 20 (фиг. 6) последняя работает на сеть высокой частоты 21 (радио-передатчик). Машина приводится в действие трехфазным двигателем 22, питаемым от трехфазной сети 23 и имеющим контактные кольца 24, к которым присоединен пусковой реостат 25. Согласно изобретению, устройство должно давать также контрольную частоту, сохраняющую возможно постоянное значение; такая частота может доставляться, например, пьезоэлектрическим трубочным осциллятором или небольшим электронным передатчиком, который с целью достижения возможного постоянства генерируемой частоты выполняется в герметически за крытом виде, или, наконец, небольшим альтернатором с сравнительно большими маховыми массами, при чем все эти генераторы частоты должны приводиться в действие источниками возможно постоянного напряжения (аккумуляторами или регулируемым напряжением); возможно также применение для той же цели усиленных токов нормального маятника или т.н. На эту контрольную частоту накладывается та частота, которую надлежит поддерживать постоянной (для постоянства числа оборотов) или же, в случае применения ступенчатого умножения основной частоты, частота одной из этих ступеней, при чем общей катушкой для получения результирующего тока служит катушка 26. Через катушку 27 пропускается ток, частоту которого надлежит поддерживать постоянной, питая катушку этим током непосредственно, как это, например, изображено на фиг. 6, или же через трансформатор от сети высокой частоты 21, тогда как катушка 28 получает контрольную частоту от одного из указанных выше источников тока. Получающийся в результате наложения ток действует, в свою очередь, на сетку лампы 29, анодная цепь которой действует на приспособление, влияющее на число оборотов. Анодная цепь лампы питается от батареи 31. Сетка лампы имеет ответвленное сопротивление 30. По сравнению с описанными выше устройствами для телеграфии, при регулировании машин приходится иметь дело с относительно большими мощностями, в виду чего представляется практически затруднительным и невыгодным доводить вызываемые минимальными отклонениями в разности фаз изменения тока до требуемой для регулирования сравнительно большой мощности путем применения катодных ламп. Кроме того, обмотки обладают сравнительно большой электромагнитной инерцией. В виду этого, согласно изобретению, контрольные токи или колебания анодного тока, получаемые сравнительно небольшим усилением, применяются для управления известным вибрационным регулятором Тирриля, который, в свою очередь, известным уже образом (напр., путем воздействия на цепь вихревого тормоза) корректирует число оборотов ведущего двигателя или же специально предусмотренной для этой цели регулирующей нагрузочной машины.
В устройстве по фиг. 6 предусмотрено применение действующего вихревыми токами тормоза, который позволяет пользоваться приводными машинами всякого рода, а следовательно и сравнительно простыми трехфазными двигателями, так что устройство не связано необходимостью применения менее простых шунтовых двигателей постоянного тока, как это имело место в большинстве известных до сего времени регулировочных приспособлениях. Примененный в устройствах по фиг. 6 и 7 вибрационный регулятор известного типа состоит из двух контактных рычагов 34 и 35 с контактами 32 и 33.
Для питания тормозного приспособления 39 служит источник тока 40, напр., сеть постоянного тока, питающая также действующий на рычаг 34 соленоид 41, введенный в цепь для короткого замыкания сопротивления 36. Когда контакты 32 и 33 сомкнуты, сопротивление 36 в цепи тормоза оказывается замкнутым накоротко. Тормозной ток проходит поэтому через катушку 41 и контакты 32, 33. Протекающий по этой цепи сильный ток возбуждает катушку 41, которая притягивает рычаг 34, вследствие чего контакты 32, 33 расходятся, и короткое замыкание прекращается, отчего тормозный ток направляется через сопротивление 36. Катушка 41 теряет свое возбуждение и перестает притягивать рычаг 34, так что пружина 42 возвращает его снова в положение касания обоих контактов, вследствие чего описанное чередование размыканий и замыканий возобновляется. В виду этого, ток в цепи 40, 36, 38 колеблется все время между двумя предельными значениями, которые должны быть установлены наиболее благоприятным образом посредством правильного выбора сопротивления 36. Эти предельные значения или среднее значение производящего торможение тока зависят от длительности размыкания и смыкания обоих контактов 32 и 33, которая, в свою очередь, зависит от положения рычага 35 и, следовательно, как это легко видеть, от изменений частоты источника 20 высокочастотного тока, которую надлежит поддерживать постоянной. Если, например, машина стремится ускорить ход, то при правильной установке устройства в устойчивой области работы (фиг. 2) происходит уменьшение разности фаз Δφ машинного тока по отношению к контрольному току и, следовательно, повышение управляющего вибрационным регулятором тока в катушке 37, вследствие чего рычаг 35 смещается относительно своего положения равновесия, поворачиваясь по часовой стрелке. Этим сокращается расстояние между контактами 32 и 33, что влечет за собой увеличение длительности смыкания контактов по отношению к длительности их размыкания. Это обстоятельство, в свою очередь, имеет следствием мгновенное повышение среднего значения тормозящего тока, протекающего по катушке 38, вследствие чего тенденция машины к повышению числа оборотов подавляется. Так как, с одной стороны, изменения в разности фаз проявляют свое действие мгновенно, а с другой стороны, благодаря вибрационному регулятору электромагнитная инерция тормозной катушки. 38 практически аннулируется, то таким устройством обеспечивается мгновенное безынерционное регулирование. Описанное выше регулирование можно сочетать, согласно изобретению, с грубым регулированием, например, путем применения известного регулятора, работающего по принципу регулятора Тирриля. В этом случае предлагаемому устройству приходится выравнивать лишь толчки, возникающие в пределах грубого регулирования.
Если дело идет о регулировании крупных машин, при которых тормозная мощность значительна, то вместо основанного на действии вихревых токов тормоза 39 (фиг. 6) можно применять особую нагрузочную машину, на возбуждение которой действует регулятор Тирриля. С другой стороны, когда дело идет о регулировании лишь небольших единиц, можно, как это и предусмотрено в устройстве по фиг. 7, применить в качестве приводного двигателя машины высокой частоты шунтовую машину постоянного тока, заставляя вибрационный регулятор действовать на возбуждение приводного двигателя и, следовательно, на число оборотов последнего. На фиг. 7, 43 обозначает шунтовой двигатель постоянного тока с обмоткой возбуждения 44, в цепь которой введено сопротивление 45, управляемое подобно сопротивлению 36 (фиг. 6) вибрационным регулятором.
Дальнейшей областью применения предлагаемого изобретения является телефония волнами равной длины при широковещании. Как известно, область имеющихся в распоряжении для широковещания длин волн ограничена, так как, с одной стороны, во избежание взаимных помех со стороны отдельных широковещательных станций, применяемые ими длины волн должны различаться на полосу частот не менее 10000 колебаний, а с другой стороны, для широковещания в распоряжении имеется лишь область волн около 200-600 м длины. В виду этого, при растущем числе передаточных станций, для осуществления простого и дешевого приема возможно большим числом абонентов, по возможности на детекторе, вопрос о распределении волн представляет проблему все возврастающей трудности. По этим соображениям было предложено эксплоатировать на одной и той же волне несколько станций, служащих для одновременного распространения одной и той же программы. Необходимым требованием для такого рода равноволновой телефонии является поэтому практически достаточное постоянство по отношению друг к другу отдельных волн, посылаемых такими станциями, так как даже сравнительно незначительные относительные отклонения вызывают в приемных аппаратах интерференционные тоны, делающие практически невозможной такую работу. В виду этого уже было предложено производить контроль отдельных передаточных станций вручную, при том в зависимости от общей контрольной частоты, посылаемой по проводам или беспроволочным путем из занимающего подходящее местоположение центрального места. Эта частота накладывается на излучаемую частоту, и получаемый от этого тон поддерживается постоянным вручную или автоматически.
Описываемый ниже в связи со схемой фиг. 8 метод, основанный на использовании лежащих в основании изобретения принципов, с одной стороны, в значительной мере повышает точность регулирования постоянства волны по сравнению с той точностью, которая возможна при регулировке постоянства результирующего от наложения тона, тогда как, с другой стороны, он обеспечивает еще то существенное преимущество, что, кроме частоты, постоянными поддерживаются также относительные сдвиги фаз, а это особенно важно потому, что, например, в пунктах, где происходит прием с двух передаточных станций, колебания в разности фаз обусловливают изменения результирующей силы приема. При этом синхронная работа всех равноволновых телефонных передатчиков происходит совершенно автоматически, как это ясно из нижеследующего.
На фиг. 8 А1, А2, A3 обозначают три широковещательные станции, работающие на одинаковой волне λ=500 м, соответствующей частоте ƒ=600.000 пер. в сек., и одновременно управляемые из общего, не показанного на чертеже, места. Для поддержания постоянства частоты и относительных разностей в фазах, т.-е. для обеспечения синхронной работы отдельных широковещательных станций, служит, согласно изобретению, посылаемая из общего центра С к отдельным станциям контрольная частота ƒc в сочетании с устройством, сходным с представленными на фиг. 1, 5, 6 и 7. Контрольная частота в отдельных станциях накладывается на генерируемую станцией частоту, например, при электронных передатчиках - на частоту, генерируемую в колебательной цепи лампы, или при машинных передатчиках - на основную частоту машины или на одну из производных частот какой-либо множительной ступени. Изменения результирующего тока, происходящие мгновенно при изменении фазы посылаемых колебаний по отношению к контрольным колебаниям, утилизируются в предлагаемом устройстве для корректирования частоты или фазы посылаемых колебаний, благодаря чему достигается синхронная работа всех станций. При машинных передатчиках устройство может быть приспособлено для регулирования числа оборотов для основной или машинной частоты, или же, если это не дает практически достаточной точности, для, регулирования можно производить корректирование контрольной частотой частоты одной из множительных ступеней. При электронных передатчиках корректирование может производиться механическим или электрическим путем, например, посредством изменения настройки колебательной цепи, посредством приведения в действие вспомогательного двигателя или посредством изменения напряжений на аноде или сетке или изменения какой-либо другой определяющей частоту величины.
1. Устройство для поддержания постоянной скорости вращающегося механизма при помощи совместного действия на одну общую, заключающую в себе тормозное приспособление, усилительную цепь, во-первых, тока, генерируемого самим синхронизируемым механизмом, и, во-вторых, вспомогательного синхронизирующего переменного тока, возникающего от одного из известных источников тока постоянной частоты характеризующееся тем, что приспособление для генерации тока под действием вращения самого механизма состоит из зубчатого железного диска 3, сидящего на одной оси с системой, и так расположенного вблизи него якоря 4 с обмоткой 5, чтобы при вращении диска в обмотке 5 возникал ток, изменяющийся синхронно с этим вращением.
2. Применение в устройстве, охарактеризованном в п. 1, для регулирования магнитного потока в якоре 4 дополнительной обмотки 7 с включенным в нее источником тока 6.
3. Применение в устройстве, охарактеризованном в п. 1, тормозного приспособления, состоящего из: а) катушки 10, связанной магнитно с двумя обмотками 2 и 9, из которых одна служит для пропускания синхронизирующего тока, а другая для пропускания тока, генерируемого синхронизируемым механизмом, и б) включенной в катушку 10 катодной лампы 11 (фиг. 1).
4. Видоизменение устройства, охарактеризованного в п.п. 1 и 2, отличающееся тем, что а) вместо одной катодной лампы 11 включены каскадом две подобные лампы 11 и 15, при чем лампа 15 служит для выпрямления тока, и б) вместо одного тормоза 13 применены два тормоза 13 и 18, из которых каждый управляется соответственной лампой (фиг.5).
5. Видоизменение устройства, охарактеризованного в п.п. 1-4, отличающееся тем, что между тормозным приспособлением 39 (фиг. 6) и катушкой 26, дающей ток для управления тормозом, включено промежуточное вибрационное регулирующее устройство 37 и 32-35 типа общеизвестного устройства Тирриля.
6. Видоизменение устройства, охарактеризованного в п.п. 1-4, отличающееся тем, что вместо тормоза для регулирования движения системы применен шунтовый двигатель 43, в обмотку которого включена цепь регулятора Тирриля (фиг. 7).
7. Применение охарактеризованных в п.п. 1-5 устройств для осуществления телефонии на равных волнах, характеризующееся тем, что вспомогательный синхронизирующий ток, необходимый для установления синхронности вращения систем на телефонных станциях, А1, А2, А3, посылается из общего центра С, и что вращающиеся системы, комбинируемые этим током, служат для выравнивания посылаемых станциями длин волн (фиг. 8).
