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Drehzahlregeleinrichtung für Drehstromnebenschlussmotoren Um wirtschaftlich fertigen zu können, werden bei modernen Fabrikationsmaschinen immer höhere Arbeitsgeschwindigkeiten angestrebt. Ausserdem ist bei vielen Arbeitsmaschinen, wie Textil- und Papiermaschinen, Zeugdruckmaschinen, Kalandern, Wasch- und Färbmaschinen, Rotationsdruckmaschinen u. dgl. im allgemeinen ausser der normalen Arbeitsgeschwindigkeit auch noch eine niedrige Hilfsgeschwindigkeit auch noch eine niedrigere Hilfsgeschwindigkeit zum Einrichten der Maschine bzw. zum Einziehen der Warenbahn erforderlich.
Diese Hilfsgeschwindigkeit ist meist 1/25 oder 1/50 der maximalen Arbeitsgeschwindigkeit. Darüberhinaus wird gefordert dass die Arbeitsgeschwindigkeit in gewissen Grenzen veränderbar ist. Das Gegenmoment der Arbeitsmaschine ist meist nicht konstant, sondern es kann vielmehr in sehr weiten Grenzen je nach Warenzug, Breitstreckung, Anpressdruck von Transport- und Druckwalzen u. dgl. schwanken.
Zum Antrieb derartiger Arbeitsmaschinen werden häufig Drehstromnebenschlussmotoren mit weitem Drehzahlsteuerbereich eingesetzt. Die Drehstromne- benschlussmotoren haben jedoch die Eigenschaft, dass mit zunehmendem Belastungsmoment die Motordrehzahl etwas abfällt, wie Fig. 1 zeigt. Dies wirkt sich insbesondere bei den niedrigen Drehzahlen nachteilig aus. In F:ig. 1 entspricht jede Kennlinie einer bestimmten Bürstenbrückenstellung. Die Kennlinie 1/25 beispielsweise gibt die Charakteristik eines Motors mit einem Drehzahlbereich von 1/25 für die unterste Bürstenbrückenstellung wieder.
Wie eingangs erwähnt, benötigen verschiedene Arbeitsmaschinen ein unterschiedlich grosses An- triebsmoment, das der Motor aufbringen muss. Dieses hängt beispielsweise bei Zeugdruckmaschinen von der Zahl der Druckwalzen und deren Anpressdruck ab. Die Einziehgeschwindigkeit soll aber unabhängig vom Belastungsmoment möglichst immer die gleiche Höhe haben, ohne dass eine Nachstellung der Drehzahl durch das Bedienungspersonal erforderlich wird.
Bei einer bekannten Drehzahl\regeleinrichtung für Dreh- stromnebenschlussmotoren wird zur Konstanthaltung der Drehzahl in einem elektrischen Differential eine vorgegebene Solldrehzahl mit der tatsächlichen Istdrehzahl verglichen und die der Drehzahldifferenz entsprechende Spannung zur Beeinflussung eines Hilfsmotors herangezogen, der die Bürstenbrücke so verstellt, dass die Drehzahldifferenz verschwindet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung für Drehstromnebenschluss- motoren, insbesondere für Arbeitsmaschinen, bei denen ausser einer regelbaren normalen Arbeitsge- scliwindigkeit auch noch eine niedrige Hilfsgeschwindigkeit erforderlich .ist.
Gemäss der Erfindung kann für eine solche Drehzahlregeleinrichtung eine wesentliche Verbesserung insbesondere hinsichtlich der Regeldynamik dadurch erreicht werden, dass das verwendete elektrische oder mechanische Differential zum Vergleich einer vorgegebenen Solldrehzahl mit der tatsächlichen Istdmehzahl unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Hilfsmotors auf die Bürstenverstellwelle einwirkt.
Durch eine derartige Massnahme wird weiter Raum an der Maschine selbst eingespart, der für andere Zwecke, z. B. für eine Geschwindigkeitsmess- einrichtung, benutzt werden kann. Das elektrische
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oder mechanische Differential ist zweckmässigerweise direkt am Drehstromnebenschlussmotor angebaut und mit der Bürstenverstellwelle gekuppelt. Vorzugsweise wird der Istwert der Drehzahl dem Sekundärkreis des Motors entnommen, während der Sollwert der Drehzahl mit Hilfe von asynchronen oder synchronen Motoren gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes gebildet wird.
Bei Verwendung eines elektrischen Differentials kann der dem Sekundärkreis des Motors entnommene Istwert unmittelbar dem Differential zugeführt werden, während der Sollwert der Drehzahl über einen synchronen oder asynchronen Drehzahlgeber dem elektrischen Differential zugeführt wird. Bei Verwendung eines mechanischen Differentials wird der dem Sekundärkreis des Motors entnommene Istwert mit Hilfe eines asynchronen oder synchronen Motors auf das mechanische Differential gegeben.
Anhand der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Drehzahlregeleinrichtung mit Hilfe eines elektrischen und eines mechanischen Differentials dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert.
Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Anordnung bei Verwendung eines elektrischen Differentials. Mit 1 ist ein läufergespeister Drehstromneben- schlussmotor bezeichnet, der eine an sich bekannte Bürstenverstelleinrichtung 2 aufweist. Mit 3 ist die Ständerwicklung und mit 4 die mit der Ständerwick- lung 3 elektrisch verbundenen Bürsten bezeichnet. Der Motor 1 wird über Schleifringe 5 läuferseitig eingespeist. Die Bürstenbrücke kann mit Hilfe der Bür- stenverstellwelle 6 eingestellt werden. Diese ist mit dem Läufer des elektrischen Differentials 7 vorzugsweise über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Rutschkupplung verbunden.
Das elektrische Differential 7 wird läuferseitig vom Ständer des Dreh- stromnebenschlussmotors und ständerseitig von einem Sollwertgeber 8 eingespeist, welcher ständer- seitig mit dem Drehstromnetz in Verbindung steht. Der Sallwertgeber 8 kann beispielsweise ein Schleifringläufer oder ein Synchronmotor sein. Der Läufer des Sollwertgebers 8 wird über ein verstellbares Getriebe 9 von einem Motor 10, der je nach der gewünschten Genauigkeit ein normaler Kurzschluss- läufermotor oder ein Synchronmotor sein kann, angetrieben.
Ein Synchronmotor wird dann eingesetzt, wenn eine sehr hohe Genauigkeit der Einziehdreh- zahl gefordert wird und Lastunterschiede durch unterschiedliche Belastung dieses Motors mit dem Getriebe und dem Sollwertgeber ausgeschaltet werden sollen.
Die Wirkungsweise ergibt sich wie folgt: Wie bereits eingangs erwähnt, wird bei derartigen Antrieben verlangt, dass die Geschwindigkeit unabhängig vom Belastungsmoment immer die gleiche Höhe haben soll, ohne dass eine Nachstellung der Drehzahl durch die Bedienungsperson erforderlich wird.
Beim läufergespeisten Drehstromnebenschluss- motor sind folgende physikalischen Zusammenhänge von Interesse: Die Primärwicklung im Läufer wird mit Netzspannung gespeist, die im allgemeinen eine Frequenz f1 von 50 Hz hat. In der Sekundärwicklung des Ständers wird eine Spannung mit der Frequenz f, induziert. Die Motordrehzahl ergibt sich dann
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wobei p die Polpaarzahl des Motors bedeutet.
Das Konstanthalten der Drehzahl lässt sich demnach auf ein Konstanthalten der Sekundärfrequenz zurückführen. Mit Hilfe des Untersetzungsgetriebes 9 wird die Drehzahl festgelegt. Bei einem Geschwindigkeitsbereich von z. B. 1:25 und einer maximalen Motordrehzahl von 2300 U/min. ergibt sich als unterste Drehzahl 90 U/min. Bei einer vierpoligen Maschine ist hierbei die Frequenz im Sekundärkreis 47 Hz. Der Sollwertgeber 10 gibt über die Untersetzung 9 dem Differential 7 eine Drehzahl vor, die 47 Hz entspricht. Wenn die eintreibenden Drehzahlen am Differential übereinstimmen, steht dessen austreibende Welle still.
Weicht die Istdrehzahl somit von der Drehzahl des Sollwertgebers ab, so verdreht die austreibende Welle des Differentials 7 der Bürstenbrücke am Kommuta- tormotor. Die Verdrehung erfolgt solange, bis die vorgegebene Drehzahl erreicht ist. Es wird somit eine integralwirkende Regelung erreicht. Wenn das Los- brechmoment für die Arbeitsmaschine grösser ist als dasAnfahrmoment des Drehstromnebenschlussmotors bei seiner untersten Bürstenbrückenstellung, wird die Bürstenbrücke solange verstellt, bis das Anfahrmo- ment über dem Losbrechmoment liegt.
Der Motor läuft sodann hoch, bis die vom Sollwertgeber vorgegebene Geschwindigkeit erreicht ist.
Der Drehstromnebenschlussmotor kann auf diese Weise voll regelbar ausgeführt werden, so dass eine Drehzahländerung von 0 bis zur maximalen Drehzahl möglich ist. Als elektrisches Differential kann ein Schleifring- läufermotor mit vorzugsweise einer Übersetzung von 1:1 zwischen Ständer und Läufer verwendet werden. Unter Umständen kann es zweckmässig sein, dass das elektrische Differential läuferseitig vom Ständer des Drehstromnebenschlussmotors über einen Anpassungstransformator gespeist wird. Das gleiche gilt für die ständerseitige Speisung des elektrischen Differentials.
In vielen Fällen ist eine Regelung der Drehzahl nur im unteren Bereich erforderlich. Zum betriebs- mässigen Einstellen einer beliebigen Arbeitsgeschwindigkeit kann das elektrische Differential 7 sodann als Asynchronmotor mit Schlupfwiderständen betrieben werden. Hierbei müssen der Sollwertgeber 8 und der Anschluss zum Sekundärkreis des Drehstromneben- schlussmotors 1 abgeschaltet werden. Um kleinere Verstellgeschwindigkeiten für die betriebsmässige Verstellung der Bürstenbrücke zu erzielen, kann der
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Ständer des Differentials polumschaltbar ausgeführt werden.
Ferner kann das elektrische Differential zur Einstellung einer beliebigen Arbeitsgeschwindigkeit auf den Sekundärkreis des Motors 8 geschaltet werden. Weiter kann das Differential 7 z. B. mit der Läuferwicklung an das Drehstromnetz mit 50 Hz und die Ständerwicklung an den Sollwertgeber 8 angeschlossen werden. Die Drehzahl bzw. Verstellgeschwindig- keit entspricht dann der Differenzialfrequenz zwischen Netzfrequenz und Frequenz vom Geber B. Da die Untersetzung am Geber 8 betriebsmässig zwischen 47 und 48,5 Hz liegt, wird automatisch eine sehr kleine Geschwindigkeit erreicht.
Mit dem Drehstromnebenschlussmotor wird eine ausserordentlich wirksame Bremsung durch generato- rischen Betrieb erzielt. Dieser Betriebszustand wird erreicht, wenn die an der Bürstenbrücke eingestellte Drehzahl kleiner ist als die tatsächliche Motordrehzahl. Um kurze Bremszeiten zu erhalten, muss die Bürstenbrücke sehr schnell in Richtung kleinerer Drehzahl verstellt werden. Dadurch arbeitet der Kom- mutatormotor als Generator und liefert die in der Arbeitsmaschine und dem Motor gespeicherte kinetische Energie in das Netz zurück. Die Bremszeit, die beim Drehstrom-Nebenschlussmotor mit der erfin- dungsgemässen Anordnung erzielt werden kann, liegt bei ca. 1 sec.
In ähnlicher Weise ist ein schnelles Herabfahren auf die Einziehdrehzahl möglich. Die Regelung sorgt dafür, dass die vorgegebene Einziehge- schwindigkeit aufrecht erhalten wird. Fig. 3 zeigt eine Drehzahlregeleinrichtung mit Hilfe eines mechanischen Differentials, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet sind.
Gegenüber der Ausführung mit elektrischen Differential ist hier die Bürstenverstellwelle 6 mit dem Gehäuse eines mechanischen Differentials 11 verbunden. Der Sollwert wird mit Hilfe einer Synchronmaschine 12, die vom Drehstromnetz gespeist wird, vorgegeben. Zwischen dem Sollwertgeber 12 und dem Planetenrad 13 des mechanischen Differentials 11 ist eine einstellbare Untersetzung 14 eingeschaltet. Mit Hilfe der Untersetzung kann die Drehzahl vorgegeben werden. An dem Sekundärkreis des Drehstromneben- schlussmotors 1 ist ein Istwertgeber 15 angeschlossen, der das zweite Planetenrad 16 des mechanischen Differentials antreibt.
Bei einer Abweichung der Solldrehzahl von der Istdrehzahl wird das Gehäuse des Differentials 11 und damit die Bürstenverstellwelle 6 solange verstellt, bis beide Drehzahlen gleich sind.
Die Anordnung kann auch zur betriebsmässigen Drehzahleinstellung mit kleiner Verstellgeschwindig- keit verwendet werden. Hierzu wird der Istwertgeber 15 vom Sekundärkreis des Drehstromnebenschluss- motors 1 abgetrennt und an das Drehstromnetz angeschlossen. Da dem Planetengrad 13 das Untersetzungsgetriebe 14 vorgeschaltet :ist, stimmen die Drehzahlen der Planetenräder 13 und 16 nicht überein, so dass das Gehäuse des Differentials 11 mit einer konstanten niedrigen Geschwindigkeit angetrieben wird. Die Bürstenbrücke wird hierdurch solange verstellt, solange die Geber 12 und 15 am Netz liegen.
Durch Umpolung der Geber kann die Drehrichtung für die Bürstenbrücke ohne weiteres umgekehrt werden.
Zur schnellen Verstellung der Bürstenbrücke und damit generatorischen Bremsung des Drehstrom- nebenschlussmotors 1 wird der Geber 15 stillgesetzt und abgebremst. Mit Hilfe des Sollwertgebers 12 wird nun die Bürstenbrücke schnell verstellt, da zwischen der Welle des Gebers 12 und der Bürstenverstellwelle 6 nur eine kleine Untersetzung wirksam ist.
Weitere Verstellgeschwindigkeiten für die Bürstenbrücke können noch dadurch erreicht werden, dass die. Gebermaschinen 12 und 15 polumschaltbar ausgeführt sind. Ferner ist es möglich, dass bei beliebiger Arbeitsgeschwindigkeit der Istwertgeber 15 an die Sekundärspannung des Drehstromnebenschlussmotors geschaltet wird und der Sollwertgeber 12 an die Netzspannung. Die Bürstenbrücke wird hierbei in Richtung der Einziehungsgeschwindigkeit solange verstellt, bis die Drehzahlen der Geber 12 und 15 übereinstimmen.