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Verfahren zur Steuerung von mehrmotorigen Antrieben Es existieren eine Reihe von Einrichtungen, in denen mehrere Wellen verschiedene Umdrehungszahlen aufweisen sollen, die jedoch in einem bestimmten einstellbaren Verhältnis zueinander stehen, wobei das Verhältnis im Laufe des Betriebes genau einzuhalten ist. Die eingestellte Drehzahl darf gewöhnlich bloss durch äussern Einfluss, d. h. durch eine Hand- oder automatische Regulierung, geändert werden. Beispiele solcher Einrichtungen stellen einen Papiermaschinenantrieb, Antriebe für Drahtziehmaschinen, Walzwerkmaschinen u. ä. Maschinen dar. Der Werkstoff soll von einer Walzengruppe auf die andere mit einem bestimmten Zug übergehen.
Um diese Bedingung zu erfüllen, ist es nötig, dass die nachfolgende Welle gegen- über der vorangehenden dauernd einen bestimmten, wenn auch ganz unbedeutenden Vorsprung aufweist, so dass die Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Walzengruppen nur unbedeutend abweichen.
Die bisherige Antriebstechnik löst dieses Problem grundsätzlich auf zwei verschiedene Arten. Beim Frequenzverfahren vergleicht man Hilfsfrequenzen, welche von tachometrischen, mit einzelnen Wellen der gesteuerten Motoren verbundenen Generatoren geliefert werden. Beim elektronischen Verfahren vergleicht man Spannungen, von welchen jede einer Differenz von Umdrehungszahlen der Antriebsmotoren der einzelnen Wellen proportional ist. Die gewonnenen Frequenzen bzw. Spannungen werden mit den entsprechenden Grössen (Frequenz bzw. Spannung) verglichen, welche von einem Antriebsmotor, gewöhnlich dem grössten, oder von einer besonderen, als Steuergenerator dienenden Maschine abgeleitet werden.
Die bekannten Steuerverfahren setzen spezielle Synchronoscope, sogenannte elektrische Differentiale, voraus, welche zwar bei kleinen Differenzen der Um- drehungszahlen wirksam sind infolge Einwirkung inverser Drehfelder der obern Harmonischen, aber keine zuverlässige Funktion bei höheren Differenzen der Umdrehungszahlen garantieren. Die elektronische Steuerung, bei welcher die Umdrehungszahl auf eine proportionale Gleichspannung übergeführt wird, bildet keine Gewähr für eine solche Genauigkeit, wie sie meistens gefordert wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von mehrmotorigen Antrieben, bei welchen die Umdrehungszahlen der Motoren gegenseitig in bestimmten gegebenen Verhältnissen gehalten werden sollen. Das Neue besteht darin, dass die durch eine Hilfswechselstromquelle gegebene Grundfrequenz um einen bestimmten Wert verändert wird, welcher Wert einer im Bereiche der Umdrehungszahlen der gesteuerten Motoren sich befindenden Umdrehungszahl proportional ist und dass die resultierende Steuerfrequenz für einen jeden der gesteuerten Motoren in je einem selbständig regulierbaren Umformer um einen kontinuierlich einstellbaren Wert weiter umgeändert wird, welcher Wert der geforderten Differenz bzw.
Summe der Umdrehungszahl des betreffenden Antriebsmotors und der Umdrehungszahl, welche die Steuerfrequenz bestimmt, proportional ist, und dass die auf vorherbeschriebene Weise gewonnene Frequenz für einen jeden der gesteuerten Antriebsmotoren einem selbständigen, mit dem zugehörigen gesteuerten Motor mechanisch verbundenen Drehfrequenzumformer zugeführt wird, und dass die durch den letztgenannten Umformer veränderte Frequenz einer Vergleichseinrichtung zugeführt wird, welche an die Quelle des Hilfswechselstromes der Grundfrequenz angeschlossen ist und den betreffenden Antriebsmotor in einer solchen Weise steuert,
dass die Frequenz des aus dem Dreh-
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uniformer ankommenden Stromes dem Wert der Grundfrequenz angeglichen wird.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Regulierung der Motordrehzahl mit besonders hoher Genauigkeit und die Einstellbarkeit auf das geforderte Verhältnis der Umdrehungszahlen auch während des Betriebes erfolgen kann. Die Erfindung soll nun anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Fig. 1 ist das einphasige Blockschema einer ersten Anlage, und Fig.2 ist das dreiphasige Schema einer zweiten Anlage zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens. In den Fig. 1 und 2 ist der Einfachheit halber bloss die Steuerung von zwei Motoren dargestellt. In Wirklichkeit kann natürlich jede beliebige höhere Anzahl von Motoren gesteuert werden.
Die Speiseleitung 1 des Hilfswechselstromes (Fig. 1) hat eine Grundfrequenz von f, Der Steuerfrequenz- umformer 2 ist allen Antriebsmotoren gemeinsam. Zwischen dem Steuerumformer 2 und den weiteren Umformern befinden sich mechanische Getriebeeinrichtungen 3, im dargestellten Falle ein Schneckengetriebe und Reibräder. Die weiteren Frequenzumformer 4 und 4' dienen dazu, die Frequenz kontinuierlich in Abhängigkeit z. B. von der Dehnung des Papiers um einen unbedeutenden Wert zu ändern (vorteilhafterweise z. B. Drehumformer), und zwar für jeden der beiden gesteuerten Motoren getrennt durch Handeinstellung. Die Frequenz-Drehumformer 5 und 5' sind mit den gesteuerten Motoren 8 bzw. 8' mechanisch verbunden.
Die Einrichtungen 6 und 6' vergleichen in einem gegebenen Bereich die Grundfrequenz f1 mit der vermittels des beschriebenen Umformersystems gebildeten Frequenz f4 bzw. f4', und zwar für jeden der gesteuerten Motoren separat. Diese Einrichtungen 6 und 6' können auch so ausgeführt werden, dass sie die ihnen zugeführten Spannungen verschiedener Frequenzen nicht nur in bezug auf die Frequenz, sondern auch in bezug auf ihre Phase vergleichen, wodurch die Genauigkeit der Steuerung noch erhöht wird. Auf Grund des Vergleichsergebnisses regeln die Einrichtungen 6 und 6' automatisch die Umdrehungen des entsprechenden gesteuerten Motors 8 bzw. 8'.
Es können speziell für diesen Zweck konstruierte Apparate oder auch an sich bekannte Synchronisatoren allein oder in Kombination mit Phasen-Diskriminatoren verwendet werden, wie sie in Elektrizitätswerken benützt werden. Die eigentliche Durchführungsart des Eingriffes bei den Antriebsmotoren hängt mit dem Erfindungsgedanken nicht unmittelbar zusammen. Sie ist von der Art der Motoren abhängig und ist allgemein bekannt. Der Motor 7 treibt den Frequenzumformer 2 an, wobei dieser Motor 7 mit seiner Umdrehungszahl annähernd die Umdrehungszahl aller gesteuerten Motoren bestimmt. Die Speiseleitung 1 liefert einen Strom mit der Frequenz f1 dem Frequenzumformer 2, welcher vom Motor 7 angetrieben wird, sowie allen Vergleichseinrichtungen 6.
Im Umformer 2 wird zu der Grundfrequenz f1 eine Frequenz addiert oder von ihr subtrahiert, deren Grösse proportional der Umdrehungszahl n7 des Motors 7 ist, wobei diese Umdrehungszahl entsprechend den übrigen Elementen der Einrichtung gewählt wird. Im Umformer 2 entsteht somit eine Summen- oder Differenzensteuerfrequenz f2. Die Frequenz f2 kommt in die Umformer 4 und 4', deren Umdrehungszahl kontinuierlich durch das Reibrädergetriebe 3 geändert werden kann. Durch geeignete Konstruktion des Getriebes kann erwirkt werden, dass eine grosse Verschiebung der Reibscheiben nur eine kleine Änderung der Umdrehungszahl des Umformers 4 bewirkt.
Daraus resultiert eine sehr genaue Einstellmöglichkeit der Frequenz f3 und dadurch auch der Umdrehungszahl der einzelnen gesteuerten Motoren. Die Umdrehungszahlen der Motoren können voneinander um ganz unbedeutende, jedoch exakt einstellbare Werte abweichen. Es ist möglich, diese Werte auch während des Betriebes in bestimmten Grenzen durch Verstellen der einzelnen Reibradantriebe beliebig zu ändern, ohne dass dadurch die Wirkung der Einrichtung irgendwie gestört werden würde. Die aus den Umformern 4 und 4' gewonnenen Frequenzenf, 3 und f3' werden den Umformern 5 und 5' zugeführt, welche mit den einzelnen gesteuerten Motoren 8 und 8' mechanisch verbunden sind.
Hier wird von der Frequenz f3 bzw. f3 eine durch die Umdrehungszahl des entsprechenden Motors 8 bzw. 8' gegebene Frequenz N$ bzw. N$ subtrahiert oder zu ihr addiert, d. h. umgekehrt, als es bei der ursprünglichen Operation im Umformer 3 der Fall war. Die so entstandene Frequenz wird mit f4 bzw. f4 bezeichnet.
Wenn der gesteuerte Motor die geforderte Umdrehungszahl besitzt, sind die Frequenzen f4 und ,f1 einander gleich. Ist dem nicht so, verstellt die Einrichtung 6 bzw. 6' in an sich bekannter Weise die Umdrehungszahl des Motors 8 bzw. 8' derart, dass man zu der geforderten Umdrehungszahl des gesteuerten Motors gelangt, wodurch die Frequenz f4 dem Wert der Grundfrequenz f, angeglichen wird.
Die Motoren 8 und 8' sind meistens Gleichstrommotoren, können aber auch von einer andern Art sein. Selbstverständlich ist die Ausführungder Einrichtungen 6 und 6' den Regelungsmöglichkeiten dieser Motoren angepasst.
In der beschriebenen Anlage gelten die folgenden Beziehungen Für den Frequenzumformer 2 gilt:
EMI2.35
für die Umformer 4 bzw. 4':
EMI2.36
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für die Umformer 5 bzw. 5': f3 =f4 + a N, ... f4 =f3 - a Ns = f1 zh a n7 i - a n4 -aNs ; f3' =f4 -i- aN$'... f4 =f3'- aNs'=f an7 an4 -aNs'. (3) Aus Gleichung (3) folgt:
f4-fi=a( n7:L n4-Ns), f 4 -fi=a(+n7zLn4 -Na')- (4) was besagt, dass die Drehzahl n4 bzw. n4 der geforderten Differenz bzw. Summe der Umdrehungszahl Na bzw. N8' des betreffenden Antriebsmotors 8 bzw. 8' und der Umdrehungszahl n7, welche die Steuerfrequenz f2 bestimmt, proportional ist.
Die beschriebene Anordnung bietet eine Reihe von Vorteilen. Dadurch, dass die Grundfrequenz f1 in die Einrichtung nicht nur von der steuernden, sondern auch von der gesteuerten Seite kommt, werden Span- nungs- und Frequenzschwankungen der Hilfsquelle 1 unschädlich gemacht, d. h. die Unabhängigkeit der Steuerung der Umdrehungszahlen von der Frequenz f, erwirkt. Die Frequenz-Umformer 2, 4, 4', 5, 5' übertragen bloss die durch die Einrichtungen 6 gegebene Leistung, so dass sie verhältnismässig klein und einfach konstruiert sein können. Die Drehumformer können eine übliche Bauart haben.
Die Vergleichseinrichtungen 6 und 6' arbeiten im engen Grenzbereich der Frequenz der Wechselstrom- Speisequelle, z. B. 50 Perioden, und dies ganz unabhängig von der Höhe der Umdrehungszahl aller gesteuerten Motoren. Aus diesem Grund kann die Einrichtung 6 mit einfachen Mitteln ausgeführt werden und durch geeignete Wahl der Hilfsfrequenzen ist es möglich, die Regulierempfindlichkeit fast beliebig zu erhöhen. Da die Vergleichseinrichtungen 6 oder 6' gegebenenfalls auch die Phase regulieren können, kann die Umdrehungszahl der Motoren 8, 8' bis auf Bruchteile einer Umdrehung reguliert und ausserdem auch die gegenseitige Lage der Wellen derselben eingestellt werden.
Insbesondere bei Papiermaschinen kommt neben einem Antriebsteil mit fester Drehzahl auch ein Antriebsteil mit variabler Drehzahl vor, welche im Laufe des Betriebes auf verschiedene Werte in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren (z. B. von der Geschwindigkeit des hergestellten Papierbandes, der Papierdicke, der Papiermasse usw.) eingestellt werden muss. Der variable Antriebsteil wird gewöhnlich mit einer grösseren Anzahl von einzelnen Motoren (meistens Gleichstrommotoren) angetrieben. Die Regeleinrichtung soll eine gegebene eingestellte Grundgeschwindigkeit einhalten und dazu automatisch das gegenseitige, gleichfalls einstellbare Verhältnis der etwas abweichenden Geschwindigkeiten der einzelnen Elemente der Antriebsteile einhalten.
Die in Fig. 2 veranschaulichte Einrichtung hält die Grundgeschwindigkeit der Papiermaschine durch Einstellung der Speisespannung für die Anker der Antriebsgleichstrommotoren (zwecks Vereinfachung sind bloss zwei Motoren 8 und 8' eingezeichnet). Als Quelle benützt man ein Stromerzeugungsaggregat, welches Gleichstrom zwischen 0 bis 440 Volt mit kontinuierlich veränderlicher Spannung liefert. Die wirkliche Drehzahl der Motoren für den Antrieb der einzelnen Partien der Maschine ist von der Grunddrehzahl, welche von der Ankerspannung abhängt, geringfügig unterschiedlich und ist für einen jeden Motor der im Anker induzierten gegenelektromotorischen Kraft proportional.
Da die mechanische Leistung auf der Welle aller Motoren dieselbe sein muss, weil sie durch das Produkt aus der Zugkraft am Papierband und seiner Geschwindigkeit gegeben ist, wird die Drehzahl durch die Änderung der Motorerregung eingestellt, d. h. die Aufgabe, beim Motor ein bestimmtes Drehzahlverhältnis einzustellen und aufrechtzuerhalten, verändert sich in die Aufgabe, eine bestimmte Erregung in den einzelnen Motoren einzustellen und zu halten. Das gegenseitige Verhältnis der Motordrehzahlen wird also durch dasjenige der Erregerströme in den Erregerwicklungen erreicht, wozu z. B. ein einfacher, an sich bekannter Relais-Synchronisator benützt werden kann.
Der Synchronisator beruht auf dem Relaisprinzip; dessen Ausgang bilden zwei Kontakte, von denen der eine z. B. bei einer Frequenz f1 < f4 schaltet und der andere bei f, < f4. Diese Kontakte steuern einen Servomotor zur. Betätigung eines Einstellwiderstandes. Für eine genaue Synchronisation, falls nämlich f4 #7-- f1 ist, befindet sich im Synchronisator ein weiteres Glied, welches vermittels eines Schwingkontaktes den Ausgangsstrom in Abhängigkeit von der Phase der den Frequenzen f4 und f1 entsprechenden Spannungen reguliert. Für den Betrieb der Synchronisatoren verwendet man einen Wechselstrom von z.
B. 3 X 100 Volt, 50 Perioden zur Speisung von an die Synchronisatoren 6, 6' angeschlossenen Frequenzumformern 5, 5'. Die Einrichtung enthält ein Leitaggregat, bestehend aus einem Steuerfrequenzumformer 2, welcher an das Hilfs- Drehstromnetz 3 X 100 Volt, 50 Perioden angeschlossen ist und durch einen Steuer-Gleichstrommotor 7 angetrieben wird, dessen Anker von derselben Stromquelle wie die Anker der regulierten Motoren 8, 8' gespeist wird, nämlich mit einer Gleichspannung, welche gemäss der geforderten Grunddrehzahl der Motoren in den Grenzen von 0 bis 440 Volt eingestellt werden kann. Die Erregerwicklung des Steuermotors 7 ist über einen Widerstand an eine konstante Gleichspannung von 220 Volt angeschlossen.
Neben dem Steuerfrequenzumformer 2 treibt der Motor 7 gleichzeitig noch kleine Tachofrequenzumformer 4, 4' an. Da es sich um die Regelung von zwei Motoren 8, 8' handelt, sind deren zwei vorhanden; es können jedoch eine beliebige Anzahl von Tachofrequenzumformern angeordnet werden. Der Antrieb der Tachofrequenz- umformer geschieht über ein Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis sowie weiter über ein Reibgetriebe
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mit kontinuierlich einstellbarem Übersetzungsverhältnis.
Jedem regulierten Motor 8 bzw. 8' ist ein vom Motor selbst angetriebener Umformer 5 bzw. 5' sowie ein Synchronisator 6 bzw. 6' zugeordnet, welcher an das den Steuerumformer 2 speisende Drehstromnetz sowie an den betreffenden Tachofrequenzumformer 5 bzw. 5' und schliesslich an die Erregerwicklung des Motors 8 bzw. 8' sowie an die Quelle der Erregerspannung 220 Volt angeschlossen ist.
Die,Einrichtung arbeitet in folgender Weise: In dem vom Motor 7 angetriebenen Steuerfrequenzumformer 2 wird die Netz-Frequenz f1 = 50 Perioden um einen der Drehzahl des Motors 7 proportionalen Wert erhöht, also auf einen Wert f2 = f1 -1-- n2160, wobei n2 die Drehzahl des Steuerfrequenzumformers bzw. des Motors 7 ist.
Diese Frequenz f2 wird den kleinen, über die angeführten Übersetzungen von demselben Motor wie der Steuerfrequenzumformer 2 angetriebenen Tachofrequenzumformern 4, 4' zugeleitet. Falls das feste Übersetzungsverhältnis des ersten Getriebes p und das im Reibgetriebe für einen der beiden Umformer z. B. eingestellte Übersetzungsverhältnis p1 beträgt, ist die Drehzahl dieses Umformers
EMI4.19
und die Frequenz der ihm zugeführten Spannung wird auf einen Wert
EMI4.21
gesteigert. Die Spannung mit dieser gesteigerten Frequenz f3 wird dann dem zugehörigen, vom Motor 8 angetriebenen Tachofrequenzumformer 5 zugeleitet.
Dasselbe gilt auch für die übrigen Umformer 4' und 5'. Die in den Umformern 5 bzw. 5' durch Rotation entstehende Frequenz fm subtrahiert sich von der Frequenz des zugeführten Stromes, so dass die Frequenz an den Austrittsklemmen des Umformers 5 den Wert f4 =fa fm besitzt, wobei die im Umformer 5 mit der Drehzahl nm des Motors 8 entstehende Frequenz
EMI4.30
ist. Der Austrittsstrom eines jeden der Umformer 5 bzw. 5' wird dem entsprechenden Synchronisator 6 bzw. 6' zugeleitet, welcher auch an die Quelle des Hilfsdrehstromes der Frequenz f1 angeschlossen ist.
Der Synchronisator 6 vergleicht die ihm zugeführten Frequenzen f1 und f4 und wirkt auf die Erregung des Motors 8 in solcher Weise ein, dass zwischen den beiden Frequenzen ein Ausgleich stattfindet, d. h. f, =f, =f3 - f., oder mit Rücksicht auf die angeführten Relationen
EMI4.38
woraus nm - n2 C1+ L') folgt. In einem konkreten p Fall kann man vermittels der kontinuierlich einstellbaren Übersetzung des Reibgetriebes Veränderungen des Übersetzungsverhältnisses p1 in den Grenzen zwischen z. B. 1, 9 bis 3, 4 erzielen.
Für eine gegebene Änderung der Zugkraft im Papierband und damit auch Veränderung der Drehzahl des Antriebsmotors kann man das nötige Übersetzungsverhältnis p aus der letztangeführten Gleichung bestimmen.