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Schaltungsanordnung zum Begrenzen der Spannung von
Gleichstrommasehinen
Um das Drehmoment eines Gleichstrommotors umzukehren, muss entweder der Ankerstrom oder das
Feld gewendet werden. Wenn der Motor von einem Stromrichter gespeist wird, ist es nicht ohne weiteres möglich, den Ankerstrom zu wenden. Es ist bekannt, die vom Stromrichter bestimmte Richtung des An- kerstromes unverändert zu lassen und die Richtung der Erregung durch besondere Einrichtungen umzu- kehren.
Es hat sich bereits als vorteilhaft erwiesen, die Erregung nicht unabhängig von der Grösse des
Drehmomentes konstant zu lassen und bei der Drehmomentumkehr dann vom vollen Wert der einen Richtung auf den vollen Wert der andern Richtung zu wenden, sondern bei kleiner werdendem Drehmoment nicht nur den Ankerstrom sondern auch die Erregung zu vermindern, so dass dann beim Nulldurchgang und der nachfolgenden Umkehr des Drehmomentes eine stetige Änderung des Feldes möglich ist. Wenn also Ankerstrom und Erregung gleichzeitig und gleichsinnig geändert werden, hat der Motor im wesentlichen das Verhalten eines Reihenschlussmotors.
Wenn die Schaltung so gewählt wird, dass die Erregerwicklung auch tatsächlich vom Ankerstrom oder einem ihm proportionalen Strom durchflossen wird, hat dies gegenüber einer Fremderregung den Vorteil, dass die Erregerstromquelle und vor allem deren Regelung erspart wird und nur eine Wendeeinrichtung für die Erregung notwendig ist. Diese kann so ausgeführt werden, dass für die Erregerwicklung zwei getrennte, über elektrische Ventile führende Wege vorgesehen werden, die einander entgegengerichtete Erregungsrichtungen ergeben und dass durch Zusatzspannungen oder Steuerung der Ventile bestimmt wird, welchen der beiden Wege der Ankerstrom (oder der ihm proportionale Strom) nimmt.
Durch Wenden der Erregung kann also das Drehmoment der Maschine bei gleichbleibender Stromrichtung gewendet werden, das heisst, die Maschine kann in jeder der beiden Drehrichtungen als Motor oder als Generator arbeiten ; sie entwickelt bei Motorbetrieb eine induzierte Spannung einer bestimmten Richtung und bei Generatorbetrieb eine Spannung umgekehrter Richtung. Auch die speisende Stromquelle, vorzugsweise ein Stromrichter, muss bei Übergang vom Motor- in den Generatorbetrieb seine Spannung wenden, also vom Gleichrichter- in den Wechselrichterbetrieb übergehen. Wenn nun zuerst der Motorbetrieb betrachtet wird, ergibt sich folgendes :
Die Maschine möge im Leerlauf mit einer bestimmten Drehzahl laufen. Sie braucht dazu wenig Drehmoment, also wenig Strom ; der kleine Strom bewirkt eine kleine Erregung. so dass auch wenig Ankerspannung entsteht.
Der speisende Gleichrichter ist durch seine Gittersteuerung auf kleine Spannung gesteuert. Wird der Motor nun belastet, dann nimmt seine Drehzahl geringfügig ab, was dazu ausreicht, die Spannung des Gleichrichters über die Regeleinrichtung zu erhöhen, wodurch auch der Strom vergrössert wird. Der Serienmotor hat nun nicht nur mehr Ankerstrom, sondern dieser bewirkt auch eine stärkere Erregung. Das Drehmoment ist grösser und der Motor entwickelt bei ungefähr gleichgebliebener Drehzahl mit der stärkeren Erregung mehr Spannung, die mit der des Gleichrichters im Gleichgewicht ist. Bei einer bestimmten Drehzahl des Motors reicht die höchste Spannung, die der Gleichrichter bei voller Aussteuerung geben kann, gerade aus, um den Nennstrom des Motors zu erzeugen.
Bei kleineren Drehzahlen kann der Motor (innerhalb seiner thermischen Überlastbarkeit) kurzzeitig auch mit höherem Strom betrieben werden ; bei grösseren Drehzahlen wird der Nennstrom nicht mehr erreicht, das heisst, dass die
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thermische Überlastungsfähigkeit des Motors bei höheren Drehzahlen nicht ausgenützt werden kann.
Es hängt dies, wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, damit zusammen, dass der Serienmotor bei hoher Drehzahl und grossem Strom eine so grosse Spannung entwickelt, wie sie die speisende Stromquelle nicht liefern kann und wie sie für den Motor wegen der Kommutierung auch nicht zulässig wäre.
Erfindungsgemäss wird nun diese Spannung dadurch begrenzt, dass bei Annäherung an die höchste zu- lässige oder mögliche Spannung die beiden getrennten Wege für die Erregung symmetrisch gemacht wer- den, also z. B. beide Zusatzspannungen eingeschaltet oder beide ausgeschaltet werden. Das hatzurFolge, dass sich auch der Ankerstrom symmetrisch verzweigt und keine Spannung an den Enden der Erreger- wicklung mehr zur Verfügung steht, so dass der Strom in der Erregerwicklung und das Feld nicht mehr vom
Ankerstrom abhängen, sondern mit der Feldzeitkonstante abklingen..
Im selben Mass nimmt die Ankerspannung ab, so dass sie den Grenzwert wieder unterschreitet. Da- durch wird die Symmetrierung der beiden Erregerwege gelöscht und der Erregerstrom steigt, getrieben durch die einseitige Zusatzspannung, wieder an,. worauf sich der Vorgang wiederholt.
Die Erregung wird also wie bei einer Tirrillregelung um einen Mittelwert solcher Höhe pendeln, dass die Ankerspannung den zulässigen Wert nicht überschreitet und dies bei jeder Motordrehzahl und bei jedem Strom.
Ebenso wichtig wie beim Motorbetrieb ist die Spannungsbegrenzung beim Generatorbetrieb, wobei also der Stromrichter als Wechselrichter arbeitet. Bei Wechselrichterbetrieb hätte das Überschreiten der höchsten Spannung, die der Wechselrichter noch kommutieren kann, bekanntlich zur Folge, dass der Wechselrichter kippt, würde also zum Kurzschluss führen. Die höchstzulässige Wechselrichterspannung ist etwas kleiner als die höchste Gleichrichterspannung und der Unterschied wird mit zunehmendem Strom grösser. Deshalb wird erfindungsgemäss die Spannungschwelle für Wechselrichterbetrieb etwas niedriger eingestellt als die für Gleichrichterbetrieb und zusätzlich noch stromabhängig gemacht.
An Stelle der Klemmenspannung der Gleichstrommaschine kann auch die des Stromrichters zur Einwirkung auf die beiden Erregerwege benutzt werden.
Wird die Gleichstrommaschine nicht von einem Stromrichter, sondern von einem Generator gespeist, dann besteht bei Rückspeisung zwar nicht die Gefahr des Kippens wie beim Wechselrichter, aber die zu- lässige Spannungist wegen der Sättigung des Generators und wegen der Kommutierung der Maschinen ebenfalls begrenzt. Auch dabei ist die Erfindung also mit Vorteil zu verwenden.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt u. zw. zeigt Fig. 1 einen drehzahlgeregelten Umkehrantrieb, z. B. ein Blockwalzwerk und Fig. 2 einen drehmomentgeregelten Antrieb, z. B. den Haspelantrieb eines Bandwalzwerkes, beide mit Stromrichterspeisung.
In Fig. 1 ist 1 der speisende Transformator mit der Primärwicklung 1', der Haupt-Gleichrichterwicklung 1" und der Erreger-Steuerwicklung 1"'. Die Wicklung 1" speist über den Stromrichter 2 die Gleichstrommaschine 3, deren Erregerwicklung 3'für Reihenschaltung mit dem Anker bemessen ist. Der Ankerstrom fliesst über die Brücke 7', 6", 4", 5', 5", 4", 6" 7" und würde sich über die Brückenzweige 7', 6', 4', 5'einerseits und 5", 4", 6", 7" anderseits zu gleichen Teilen aufteilen, also die Erregerwicklung 3'nicht durchfliessen, wenn in den Brückenzweigen keine Zusatzspannungen eingefügt wären.
Nun sind aber die Transformatorwicklungen 4', 4" (jede dreiphasig und der Übersichtlichkeit halber einphasig gezeichnet) auf einem Kern mit der sechsphasigen Primärwicklung 4""angeordnet, ebenso auf einem zweiten Kern 6", 6" und 6"'. Die Wicklungen 4', 4", 6', 6" und die ungesteuerten Ventile
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erregt, dann wird der Ankerstrom der Maschine 3 über den Weg 5", 4", 3', 4', 5'abgesaugt und die Ventile 7', 7"sind auf Sperrspannung beansprucht. Der Erregerstrom fliesst in 3'von unten nach oben. Wird 4"'abgeschaltet und 6'" zugeschaltet, dann kehrt der Strom in 3'seine Richtung um. In beiden Fällen ist aber seine Grösse identisch mit dem Ankerstrom der Maschine 3.
Die Wicklungen 4'"und 6'" sind an die Wicklung l"* des Speisetransformators angeschlossen und im Sternpunkt ist die Thyratrongruppe 8 bzw. 9 eingeschaltet, deren Kathoden mit dem Sternpunkt der Wicklung 1"' verbunden sind. In dieser Leitung 10 fliesst daher ein dem Hauptstrom annähernd proportionaler Gleichstrom. Durch Gittersteuerung der Gefässgruppe 8 bzw. 9 kann also bestimmt werden, welcher Primärwicklung, 4'"oder 6'" Spannung zugeführt wird und welche Richtung die Erregung der Maschine 3 hat.
Dazu sind alle Gitter der Thyratrongruppe 8 miteinander und mit der Leitung 11 verbunden, alle Gitter der Gruppe 9 mit der Leitung 12. Ist 11 gegenüber 10 positiv, dann fliesst der Erregerstrom in 3' nach oben, ist 12 gegen 10 positiv, fliesst er nach unten.
Der Motor 3 ist mit einer Tachometermaschine 13 gekuppelt. Deren Spannung wird mit der am Soll-
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klingt mit der Erregerzeitkonstante ab, wobei die Stromverteilung in den vier Brückenzweigen im selben
Mass symmetrisch wird. Mit dem Abklingen des Erregerstromes wird aber die Motorspannung kleiner, so dass sie die Schwelle 22 wieder unterschreitet, der Sperrstrom in den zweiten Steuerwicklungen der Ver- stärker 16, 17 verschwindet und jener Verstärker, der vorher geöffnet war, öffnet wieder, so dass die Zu- satzspannung in zwei gegenüberliegenden Zweigen der Erregerbrücke wieder erscheint. Getrieben durch diese Spannung steigt nun der Strom in der Wicklung 3'wieder an.
Es wird also bei jeder Drehzahl und jedem Ankerstrom die mittlere Erregung auf einen solchen Wert begrenzt, dass die höchstzulässige Spannung nicht überschritten wird.
Wird aber der Hauptstrom zu gross, dann spricht die Strombegrenzung an. Diese besteht aus einem
Magnetverstärker 29, der normalerweise durch eine Vorstromwicklung gesperrt gehalten wird. Nur wenn der Spannungsabfall am Shunt 21 und damit der Steuerstrom des Verstärkers 29 zugross wird, öffnet dieser und erzeugt an seinem Belastungswiderstand 30 einen Spannungsabfall, der in den Eingang des Gitter- steuersatzes 15 so eingefügt ist, dass die Impulse auf volle Wechselrichtersteuerung verschoben werden.
Die Spannungsbegrenzung durch Symmetrieren der Erregerbrücke kann auch so ausgeführt werden, dass beide Verstärker 16 und 17 geöffnet werden. Der Erregerstrom in der Wicklung 3'nimmt dann eben- falls entsprechend'der wirksamen Zeitkonstante ab. Dazu ist es nur notwendig, die zweiten Steuerwicklun- gen der Verstärker 16 und 17 umzupolen.
Es möge nun, während der Motor mit einer bestimmten Drehzahl läuft, der Sollwert vermindert wer- den. Die Drehzahl-Soll-Istwertdifferenz kehrt ihre Richtung um, da ja die Tachospannung im ersten
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und er nimmt dementsprechend schnell ab, bis er seine Richtung umkehrt. Im selben Mass nimmt die Motorspannung ab, bis sie ihre Richtung umkehrt. Würde sich die Stromrichterspannung nicht ändern, dann würde der Hauptstrom sehr schnell unzulässig gross werden. Da sich aber mit steigendem Spannungsabfall am Shunt 21 die Spannung am Gittersteuersatz verringert und schliesslich umkehrt, wird der Stromrichter von Gleichrichterbetrieb auf Wechselrichterbetrieb umgesteuert.
Verglichen mit der möglichen Änderungsgeschwindigkeit des Hauptfeldes der Maschine und der damit gleichlaufenden Xnderungsge- schwindigkeit der Maschinenspannung ist die Gittersteuerung viel schneller, so dass sie in jedem Augenblick die Grösse des Stromes beherrscht und auf dem Wert halten kann, der der Differenz zwischen DrehzahlSoll- und Istwert entspricht. Der Motor wird also mit gewendetem Feld, daher gewendetem Drehmoment und mit Wechselrichterbetrieb des Stromrichters auf den neuen Drehzahl-Sollwert heruntergebremst.
Die Stromregelung könnte nur dann ihre Aufgabe nicht erfüllen, wenn die Ausgangsdrehzahl sehr hoch war und schnell heruntergeregelt wird, weil dazu ein Drehmoment und ein Strom notwendig sind, die eine so hohe Erregung des Motors und eine so hohe Spannung erzeugen, dass die höchstmögliche Wechselrichterspannung überschritten wird. Der Wechselrichter würde kippen.
Die erfindungsgemässe Symmetrierung der Erregerwege verhindert dies. Bei Bremsbetrieb ist die Spannungsrichtung des Motors so, dass in Fig. 1 die untere Bürste positiv ist. Diese Spannung wird nun einer Schwelle zugeführt, die aus einer Gegenspannung 25, einem Ventil 26 und einem Widerstand 27 besteht. Wenn die Motorspannung die Gegenspannung 25 überschreitet, fliesst ein Strom über die Gleichrichterbrücke 24 und die zweiten Steuerwicklungen der Verstärker 16, 17 der beide Verstärker sperrt, oder beide öffnet, wie dies beim Gleichrichterbetrieb erläutert wurde. Die Brücke 24 hat den Zweck, dem Steuerstrom der Verstärker 16, 17 bei Wechselrichterbetrieb dieselbe Richtung zu geben, wie bei Gleichrichterbetrieb.
Die Schwelle 25 kann auf eine andere Grösse, insbesondere auf eine kleinere Spannung eingestellt sein, als 22, ausserdem kann noch eine stromabhängige Spannung so eingefügt sein, dass die Schwelle bei grösseren Strömen verringert wird. Zu diesem Zweck wird die Spannung des Shunts 21 gegebenenfalls über einen Verstärker 28, an den Widerstand 27 gelegt und so gepolt, dass dessen Spannungsabfall dem am Widerstand 25 entgegengerichtet ist.
InFig. 2 ist die Anwendung der erfindungsgemässen Spannungsbegrenzung auf den Haspelantrieb eines Bandwalzwerkes dargestellt.
Es bedeuten wieder 1 den Haupttransformator mit seiner Primärwicklung l* und der Gleichrichterwicklung 1", 2 den Stromrichter und 3 die Gleichstrommaschine mit ihrer Erregerwicklung 3'. Die Zu- satzspannungen in den beiden Erregerwegen werden hier jedoch nicht über Thyratrons sondern über Magnetverstärker 31,32 und 33, 34 eingefügt. Sind die beiden Verstärker 31, 32 durch ihre Steuerwicklungen
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geöffnet und 33, 34 gesperrt, dann fliesst der Hauptstrom in der Erregerwicklung 3'von oben nach unten und er kehrt seine Richtung um, wenn 33, 34 geöffnet und 32,31 gesperrt sind.
Der Haspelantrieb erfordert, dass der Motor unabhängig von seiner Drehzahl ein vorgegebenes Drehmoment entwickelt, welches also durch die Grösse des Stromes eingestellt wird. Zu diesem Zweck wird der Spannungsabfall am Shunt 21 mit der Spannung 35 verglichen und die Differenz dem Gittersteuersatz 15 mit Stabilisierungsfilter zugeführt. Dieser ist so eingerichtet, dass die Gitterimpulse in Richtung Gleichrichtersteuerung verschoben werden, wenn die Spannung 35 grösser ist als 21 und in Richtung Wechselrichtersteuerung, wenn die Spannung 21 grösser ist als 35.
Die Brücke 35 erhält ihre Eingangsspannung vom Sollwertgeber 36 über ein nichtlineares Netzwerk, das aus einem Reihenwiderstand 37 und einer Anzahl (in Fig. 2 sind es zwei) Spannungsschwellen mit Ventilen besteht 38. Dieses Netzwerk hat folgenden Zweck : Da das Drehmoment des Motors etwa quadratisch mit dem Strom steigt, würde einer Steigerung des Sollwertes etwa auf den doppelten Betrag zwar der doppelte Strom, aber das vierfache Drehmoment entsprechen, Sollwert und Drehmoment hätten also keinen linearen Zusammenhang. Um einen linearen Zusammenhang herzustellen, ist das Netzwerk 37, 38 eingefügt.
Bei Steigerung des Sollwertes wird eine der Spannungsschwellen 38 nach der andern überschritten und dadurch der Reihenwiderstand 37 zunehmend von Strom durchflossen, so dass sein Spannungsabfall vom Sollwert 36 abzuziehen ist und an der Brücke 35 eine weniger als der Sollwert 36 ansteigende Spannung erscheint. Durch eine entsprechende Anzahl und Bemessung der Spannungsschwellen kann erreicht werden, dass das Drehmoment linear mit dem Sollwert ansteigt.
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schleunigungsgenerator liefert nur während der Geschwindigkeitsänderungen des Haspelmotors eine Spannung u. zw. bei Drehzahlerhöhung des Motors, falls dieser den Aufhaspel antreibt, eine Spannung solcher Richtung, dass sie sich zum Sollwert 36 addiert und das Motordrehmoment um den zur Beschleunigung nötigen Betrag grösser wird und umgekehrter Richtung, wenn der Motor verzögert werden soll.
Ist das Verzögerungsdrehmoment grösser als der eingestellte Sollwert, dann dreht die Spannung an den Punkten 43,43 ihre Richtung um und auch das Motordrehmoment muss sich umkehren. Es sich deshalb die Steuerwicklungen der Transduktoren 31-34 in Reihe so an diese Spannung angeschlossen, dass bei einer bestimmten Spannungsrichtung die gegenüberliegenden Transduktoren 31, 32 geöffnet sind und 33, 34 gesperrt bleiben und dass bei der andern Spannungsrichtung 33,34 geöffnet und 31, 32 gesperrt sind.
Da das Drehmoment des Motors mit steigendem Bunddurchmesser ebenfalls proportional steigen muss, ist die Grösse der Speisespannung des Sollwertreglers 36 von der Stellung des Spannungsteilers 42 abhängig gemacht, der durch den Verstellmotor 41 bewegt wird. Gleichzeitig verstellt der Motor 41 auch den Spannungsteiler 40, der die Grösse des Beschleunigungszusatzes einstellt, weil ja das zum Beschleunigungsausgleich notwendige Zusatzdrehmoment ebenfalls vom Bunddurchmesser abhängt. 40,41, 42 werden zusammen als "Bunddurchmesserregler" bezeichnet.
Wennnun der Aufhaspel mit einem bestimmten Zug. also bestimmten Strom, den Wickelvorgang be-
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und die Bandgeschwindigkeit vom Bedienungsmann gesteigertnungsmann gemeldet werden. Dies entspricht den Betriebserfordernissen, weil dicke Bänder mit hohem Zug und kleiner Geschwindigkeit, dünne Bänder mit kleinem Zug undhoher Geschwindigkeit gewalzt werden. Beim An- wachsen des Bundes steigt dann der Strom, vom Bunddurchmesserregler veranlasst. an, während die Spannung infolge Verminderung der Haspeldrehzahl abnimmt. Es besteht also keine Gefahr, dass die Zugregelung durch
Anstossen an die Spannungsgrenze unzulänglich wird.
Anders beim Abhaspel. Dieser beginnt seine Arbeit mit kleiner Drehzahl und kleiner Spannung und beides steigt mit abnehmendem Bunddurchmesser. Da der Abhaspel Energie abgibt, arbeitet sein Strom- richter als Wechselrichter und dieser muss vor der zu hohen Spannung und der Gefahr des Kippens geschützt werden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäss wieder an die Motorspannung eine Spannungsschwelle 25 mit Ventil 26 angeschlossen und dieser Kreis ist auch über Steuerwicklungen aller vier Transduktoren 31 - 34 geführt. Übersteigt die Motorspannung den an der Spannungsschwelle 25 eingestellten Wert, dann fliesst ein Strom durch alle diese Steuerwicklungen und alle Transduktoren werden gesperrt (oder geöffnet), so dass der Erregerstrom in der Wicklung 3'wie bei Fig. 1 erläutert, begrenzt wird.
Die Höhe der Spannungsschwelle ist, wie ebenfalls bei Fig. 1 erläutert, durch den Spannungsabfall am Widerstand 27 stromabhängig gemacht.
Sobald die Spannungsbegrenzung einsetzt, stimmt das Motordrehmoment nicht mehr mit dem Soll-
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wert überein, dieser Zustand darf daher betriebsmässig nicht benützt werden ; die Begrenzung schützt aber die Anlage bei Bedienungsfehlern vor Kurzschlüssen und vor dem dadurch bedingten völligen Verlust des Bandzuges, der eine Beschädigung des Walzwerkes zur Folge haben kann.
Wird der Nottaster gedrückt, z. B. wegen mechanischer Fehler oder wegen Gefahr für die Bedienungsmannschaft, dann werden beide Haspelmotoren, der des Auf- und des Abhaspels, in den Generatorzustand umgeschaltet, so dass beide Stromrichter als Wechselrichter arbeiten.
Die Auswahl der dazu nötigen Richtung der Erregung kann durch Umschaltung der Zusatzspannung mit Relaiskontakten geschehen, da ja die Drehrichtung beider Haspel durch die gerade gewählte Walzrichtung gegeben ist. Gleichzeitig wird der Strom-Sollwert auf einen über dem Motor-Nennstrom liegenden für die Kommutierung gerade noch zulässigen Wert umgeschaltet. Da diese Bremsung auch bei hoher Haspeldrehzahl beginnen kann, würde die Spannung den Wert, den der Wechselrichter noch verarbeiten kann, weit übersteigen. Hier. greift nun die erfindungsgemässe Spannungsbegrenzung selbsttätig ein und sie sorgt dafür, dass die Bremsung mit der höchstmöglichen Leistung erfolgt, ohne dass der Wechselrichter in Gefahr kommt, zu kippen.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Schaltungsanordnung zum Begrenzen der Anker EMK von Gleichstrommaschinen, deren Erregerwicklung vom Ankerstrom oder einem ihm proportionalen Strom durchflossen ist, wobei zwei getrennte, über elektrische Ventile führende und durch Zusatzspannungen oder Steuerung der Ventile auswählbare Wege vorgesehen sind, die entgegengesetzte Richtungen der Erregung ergeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerspannung der Gleichstrommaschine oder die Spannung der sie speisenden Stromquelle über eine Spannungsschwelle (22,23 bzw. 25,26, 27) so auf die Zusatzspannungen bzw. die Ventil-Steuerung einwirkt, dass bei Überschreiten der Schwelle beide Wege geöffnet oder geschlossen werden.