Elektrische Einrichtung zum Betrieb von Wickelhaspeln für Metallband Wickeleinrichtungen für Metallband müssen in der Regel in der Lage sein, beim Wickeln von Band grosser Bandstärke einen relativ hohen Bandzug zu ermöglichen, während beim Wickeln von Band kleiner Bandstärke lediglich ein relativ niedriger Bandzug erforderlich ist. Solche Wickeleinrichtungen besitzen einen Wickeldorn, der in den meisten Fällen direkt oder über ein Zwischengetriebe von einem oder von mehreren Gleichstrom-Nebenschlussmotoren angetrieben wird.
Bislang wurde der sich beim Wickeln ändernde Bunddurchmesser durch Nachstellen der Nebenschlusserregung des betreffenden Gleichstrommotors berücksichtigt. Demgemäss wurde der Motor mit einem Feldschwächbereich versehen, der dem Bunddurchmesserbereich entsprach. Während des Wickelvorganges wurde der Ankerstrom im wesentlichen konstant gehalten.
Der Beginn des Aufwickelns erfolgte bei voller Feldschwächung des Motors. Mit zunehmendem Bunddurchmesser wurde zunehmend die Nebenschlusserregung verstärkt. Das bedeutet aber, dass der Anlauf des Wickelhaspels auf Geschwindigkeiten unterhalb seiner Maximalgeschwindigkeit wegen der in jedem Fall einsetzenden Feldschwächung relativ langsam vor sich geht.
Ausserdem sind normale Gleichstrom-Nebenschlussmotoren bei voller Feldschwächung weniger stossüberlastbar als bei voller Nebenschlusserregung. Ein für diese Verhältnisse ausreichend dimensionierter Motor besitzt ein relativ grosses Schwungmoment, das bei Bandgeschwindigkeitsänderungen die Genauigkeit der Einhaltung eines gewünschten Bandzuges beeinträchtigt und den erforderlichen Spitzenstrom im Ankerkreis des Motors weiter heraufsetzt.
Die Erfindung, die besondere Bedeutung für die Bandzugregelung an dem Aufwickelhaspel eines kontinuierlichen Breitband-Warmwalzwerkes hat, setzt voraus, dass im allgemeinen die Bandgeschwindigkeit von Bändern grosser Bandstärke niedriger ist als die von Bändern kleiner Bandstärke. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebsweise von Wickelhaspeln für Metallband zu verbessern und die Baugrösse der die zugehörigen Wickeldorne antreibenden Motoren möglichst klein zu halten.
Die Erfindung geht von einem durch die deutsche Auslegeschrift B 35 708/21c/62-50 vom 18. 10. 1956 gegebenen Stand der Technik aus und betrifft demgemäss eine elektrische Einrichtung zum Betrieb von Wickelhaspeln für Metallband unter Verwendung eines mit dem Haspel gekuppelten einzeln gespeisten, unter Vergleich eines Ankerstrom-Einstellwertes mit dem Ankerstrom-Istwert über den Ankerkreis geregelten Gleichstrom-Nebenschlussmotors, dessen Nebenschlusserregung durch eine Schaltungsanordnung selbsttätig verstellbar ist, sowie einer laufend arbeitenden Recheneinrichtung, die den Aussendurchmesser des Wickelbundes ermittelt,
aus diesem und dem Bandzug-Einstellwert und zusätzlich einem Bandgeschwindigkeitsänderungen und die Schwungmassen zwecks Beschleunigungskompensation berücksichtigenden Wert das benötigte Motordrehmoment errechnet, die ferner den tatsächlich vorhandenen Wert der Nebenschlusserregung ermittelt und durch Division des errechneten Motordrehmomentes durch diesen Wert den benötigten Ankerstrom-Einstellwert errechnet und einstellt.
Die bekannte Einrichtung wird unter Vermeidung der geschilderten Nachteile erfindungsgemäss dadurch verbessert, dass zur Berücksichtigung eines zur Krümmung des Bandes beim Wik keln von Bunden erforderlichen Biegemoments eine zusätzliche auf die Recheneinrichtung einwirkende, einstellbare und einen vorgesehenen Anteil der Drehmomentgrösse bestimmende Stelleinrichtung angeordnet ist und dass für die Verstellung der Nebenschlusserregung eine Schaltungsanordnung zur ankerspannungsabhängigen Feldschwächung vorgesehen und derart ausgelegt ist, dass die Feldschwächung erst einsetzt, wenn praktisch der zulässige, obere Grenzwert der Ankerspannung des Motors erreicht ist.
Obwohl an sich Schaltungsanordnungen zur ankerspannungsabhängigen Feldschwächung hinreichend bekannt waren, vgl. beispielsweise AEG-MITTEILUN GEN 1958, Seiten 630/31 sowie 646/47, hatte man bislang die vorteilhafte Einsatzmöglichkeit bei der Regelung von Wickelhaspeln nicht erkannt. Vielmehr wurde, sobald ein Feldschwächbereich des Motors zur Berücksichtigung des veränderlichen Bunddurchmessers vorgesehen war, in jedem Fall von der Feldschwächung Gebrauch gemacht. So wird in dem Ausführungsbeispiel der eingangs genannten Auslegeschrift das errechnete Drehmoment des Haspelmotors in erster Linie über dessen Feldkreis geregelt. Man ging bisher von der Voraussetzung aus, dass bei konstanter Bandgeschwindigkeit die für den Wickelhaspel erforderliche Motorleistung unabhängig vom Bunddurchmesser konstant sei.
Das gilt jedoch nur, wenn man das zur Krümmung des Bandes beim Wickeln von Bunden auftretende Biegemoment nicht berücksichtigt. Dieses Biegemoment nimmt mit zunehmendem Bunddurchmesser leicht ab.
Es kann in erster Näherung als vom Bunddurchmesser unabhängig angenommen werden und kann ohne weiteres in der Grössenordnung des Bandzugmomentes liegen. Die Vernachlässigung dieses Moments würde bedeuten, dass bei konstanter Motorleistung der Bandzug nicht mehr konstant ist, sondern entsprechend dem wachsenden Bunddurchmesser laufend zunimmt. Bei Berücksichtigung des Biegemomentes bleibt demzufolge die für eine bestimmte Bandgeschwindigkeit und einem konstanten Bandzug erforderliche Motorleistung nicht mehr konstant, sondern nimmt mit zunehmendem Bunddurchmesser ab.
Das Biegemoment hängt von der Bandbreite, von dem Quadrat der Banddicke und von der Streckgrenze des zu wickelnden Materials bei Wickeltemperatur und Bandgeschwindigkeit ab. Beispielsweise beträgt für einen Spezialstahl von 12,7 mm Stärke das erforderliche Biegemoment ca. 700 kpm. Das erforderliche Bandzugmoment liegt entsprechend dem veränderlichen Bunddurchmesser zwischen 220 und 590 kpm. Bei Wickelbeginn ist also das Biegemoment etwa dreimal so gross wie das Bandzugmoment.
Aus walztechnischen Gründen wird dickes Material mit kleiner Geschwindigkeit, dünnes Material mit hoher Geschwindigkeit gewalzt. Daraus folgt, dass die Haspelmotorenleistung beim Walzen von dickem Material, also im unteren Wickelgeschwindigkeitsbereich, hauptsächlich durch die Biegung und den Bandzug und beim Walzen von dünnem Material, also im oberen Wickelgeschwindigkeitsbereich, vorwiegend durch den Bandzug allein bestimmt wird. Bei diesen Gegebenheiten ermöglichen die Massnahmen der Erfindung eine Verkleinerung der Baugrösse des Haspelmotors. Dickes Material wird bei konstanter maximaler Nebenschlusserregung des Motors und entsprechend der benötigten Motordrehzahl erhöhter Ankerspannung und somit auch höherer Leistung gewickelt. Die Regelung erfolgt hierbei im Ankerkreis.
Bei dünnem Material wird je nach der Bandgeschwindigkeit im oberen Ankerspannungsbereich mit einer entsprechenden Feldschwächung gearbeitet. Im letztgenannten Fall erfolgt die Regelung sowohl im Anker- als auch im Feldkreis des Motors.
Eine derartige Lösung bietet neben dem Vorhergesagten folgende Vorteile:
1. Dadurch, dass bei kleinen, d. h. bei dickem Ma terial, Bandgeschwindigkeiten mit voller Nebenschlusserregung des Motors gearbeitet wird, steht in diesen Fällen für Beschleunigungs-, Verzögerungs- oder sonstige Regelvorgänge das volle Motordrehmoment zur Verfügung.
2. Da bis zu einer bestimmten Bandgeschwindigkeit mit voller Nebenschlusserregung und entsprechender Stromregelung gearbeitet wird, dickes Material jedoch während des Wickelvorganges mit zunehmendem Bunddurchmesser eine sinkende Motorleistung und Drehzahl erfordert, kann mit einem kleineren Motor das gewünschte Wickelprogramm verwirklicht werden als mit einer auch in diesem Falle die Nebenschlusserregung des Motors beeinflussenden Regelung.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass auch bei der bekannten Bandzugregeleinrichtung ein Anteil des benötigten Motormomentes berücksichtigt wird, der unabhängig vom Aussendurchmesser des Wickelbundes ist.
Dieser Anteil ist jedoch nicht betriebsmässig verstellbar und soll als verhältnismässig kleine Korrekturgrösse das Lagerreibungsmoment berücksichtigen. Dieses Reibungsmoment liegt bei den hier in Frage kommenden Haspeln mindestens eine Grössenordnung unter dem maximalen Bandzugmoment.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbei spieles einer Bandzugregelung eines Aufwickelhaspels eines kontinuierlichen Breitband-Warmwalzwerkes.
In der Figur bewegt sich ein Metallband 1 in Pfeilrichtung auf einen Wickelhaspel, der einen Wickeldorn 3 enthält. Auf letzterem bildet sich ein Wickelbund 2.
Der Bandzug im Metallband 1 wird von einem Gleichstrom-Nebenschlussmotor aufgebracht, dessen Anker mit 5 und dessen Nebenschlussfeld mit 6 bezeichnet ist.
Der Gegenzug wird von einem Treibapparat 4 bzw. einem nicht näher dargestellten Walzgerüst aufgebracht.
Die Speisung des Motorankers 5 erfolgt über einen Stromrichter 7 aus einem Drehstromnetz 8. Die Steuerung der nicht näher dargestellten Ventile des Stromrichters 7 erfolgt mit Hilfe von in der Phasenlage verschiebbaren Steuerimpulsen, die von einer Steuereinrichtung 9 abgegeben werden. Die Phasenlage der Steuerimpulse wird mit Hilfe eines Regelverstärkers 10 bestimmt, auf dessen Eingang die im Verknüpfungspunkt 12 gewonnene Differenz zwischen Ankerstrom Einstellwert und Ankerstrom-Istwert einwirkt. Der Ankerstrom-Istwert wird mit Hilfe eines Stromwandlers 11 erfasst.
Ein Ankerstrom-Einstellwert wird für einen Anlauf des Motors 5, 6 zunächst dadurch aufgebracht, dass auf den Eingang 60 eines Integrationsgliedes 17 eine Spannung gegeben wird. Dies erfolgt, nachdem ein Schalter 18 geschlossen und ein Schalter 62 geöffnet worden ist.
Die Ausgangsspannung des Integrationsgliedes 17 steigt zeitlinear an und wird mit der Ankerspannung einer Tachometermaschine 19, die mit dem Motor 5, 6 gekuppelt ist, im Verknüpfungspunkt 20 verglichen. Die so gebildete Drehzahlregelabweichung wird nach Verstärkung in einem Verstärker 16 als Ankerstrom-Einstellwert benutzt, der auf den Verknüpfungspunkt 12 einwirkt. Sobald beispielsweise lichtelektrisch festgestellt worden ist, dass die Spitze eines zum Wickelhaspel laufenden Bandes 1 vom Wickeldorn 3 erfasst worden ist, wird ein Schalter 21 geschlossen, wodurch über den Verknüpfungspunkt 20 der Verstärker 16 eine wesentlich höhere Eingangsspannung erhält. In einer Einrichtung 13 wird die als Ankerstrom-Einstellwert dienende Ausgangsgrösse des Verstärkers 16 auf einen Wert begrenzt, der in einer Recheneinrichtung ermittelt worden ist.
Diese Recheneinrichtung besitzt einen Ausgang 15, der über eine Üb erwachungs einrichtung 14 die Einrichtung 13 speist und deren Grenzwerte des Ankerstrom-Einstellwertes zunächst festlegt. Die tÇberwa- chungseinrichtung 14 verhindert, dass die Grenzwerte unzulässige Grössen annehmen können. Mit der tÇber- wachungseinrichtung 14 wird erreicht, dass die Maximalwerte des Ankerstrom-Einstellwertes dem jeweils noch zulässigen Spitzenstrom des Motorankers 5 angepasst werden. Zu diesem Zweck kann an der Über- wachungseinrichtung 14 auf einen Eingang 63 die Motordrehzahl und auf einen Eingang 64 die Nebenschlusserregung des Motors 5, 6 einwirken.
Der Erregerstrom des Motors 5, 6, d. h. der Strom in der Feldwicklung 6, wird über einen Verstärker 27 unter im Verknüpfungspunkt 22 erfolgendem Vergleich zwischen Feldstrom-Einstellwert und Feldstrom-Istwert geregelt. Der Feldstrom-Istwert wird mit Hilfe eines Stromwandlers 26 erfasst. Der Feldstrom-Einstellwert wird über einen Eingang 23 einer nicht näher dargestellten und hinreichend bekannten Schaltungsanordnung 25 zur ankerspannungsabhängigen Feldschwächung aufgebracht. Die Anordnung 25 besitzt einen weiteren Eingang 24, auf den die Ankerspannung des Motors 5, 6 einwirkt. Die Anordnung 25 kann ein unter Vorspannung stehendes elektrisches Ventil enthalten, das nach Überschreiten der Vorspannung einen den Feldstrom Einstellwert verkleinernden Strom führt. Die Vorspannung kann etwa 95 /o des Maximalwertes der Ankerspannung betragen.
Sobald die Ankerspannung die Vorspannung übersteigt, wird bei verhältnismässig kleinen weiteren Steigerungen der Ankerspannung der Feldstrom-Einstellwert und damit der Erregerstrom in der Wicklung 6 zunehmend herabgesetzt. Dies wird jedoch erst bei einer nennenswerten Drehzahl des Motorankers 5 der Fall sein.
Zur Ermittlung des Aussendurchmessers des Wikkelbundes 2 dienen Tachometermaschinen 40 und 41.
Die Tachometermaschine 40 ist mit dem Treibapparat 4 gekuppelt und liefert eine der Bandgeschwindigkeit proportionale Spannung. Die Tachometermaschine 41 ist mit dem Motor 5, 6 und dem Wickeldorn 3 gekuppelt. Die Spannungen der beiden Tachometermaschinen 40 und 41 werden im Verknüpfungspunkt 42 verglichen. Die so gebildete Differenzspannung steuert ei- nen Verstärker 43, der das Nebenschlussfeld 44 der Tachometermaschine 41 speist. Bei entsprechender Auslegung der Tachometermaschine 41 ist deren Erregerstrom dem zugehörigen Erregerfluss proportional. Dieser Erregerstrom ist dann als Quotient von Bandgeschwindigkeit und Drehzahl des Wickeldornes 3 ein Mass für den Aussendurchmesser D des Wickelbundes 2. Der so ermittelte Durchmesserwert D wird zur Errechnung des benötigten Motormomentes verwendet.
Mittels einer Nachlaufregelung wird ein Potentiometer 46 auf den Durchmesserwert eingestellt. Dieser Einstellwert wird im Verknüpfungspunkt 45 mit einer dem Feldstrom der Wicklung 44 proportionalen Grösse verglichen. Die so gebildete Differenz steuert über einen Verstärker 48 einen Stellmotor 47. Dessen Drehwinkel a ist dann dem Aussendurchmesser D des Wickelbundes 2 proportional. Mit dem vom Stellmotor 47 eingestellten Schleifer des Potentiometers 46 sind mechanisch Schleifer von Potentiometern 49 und 50 gekuppelt.
Der gewünschte Bandzug im Metallband 1 wird mit Hilfe eines Potentiometers 51 vorgewählt. Die Ausgangsgrösse des Potentiometers 51 wird mit dem dem Durchmesser D proportionalen Einstellwert des Potentiometers 49 multipliziert. Die Ausgangsgrösse des letztgenannten Potentiometers ist somit dem gewünschten Bandzugmoment proportional. Zur Berücksichtigung der Breite des Metallbandes 1 dienen Potentiometer 56 und 57, deren Schleifer miteinander mechanisch gekuppelt sind. Das Potentiometer 57 sowie Potentiome ter 58 und 59 dienen zur Einstellung der einzelnen Faktoren eines als unabhängig vom Bunddurchmesser D angenommenen Biegemomentes. Dabei kann mit dem Potentiometer 58 das Quadrat der Banddicke und mit dem Potentiometer 59 die Streckgrenze des zu wickelnden Materials berücksichtigt werden.
In einer Recheneinrichtung 52 wird ein zum Ausgleich von bei Bandgeschwindigkeitsänderungen auftretenden Schwungmassenwirkungen benötigter Anteil des Motormomentes errechnet. Auf einen Eingang 53 wirkt eine einem leeren Wickeldorn 3 entsprechende Eingangsgrösse. Auf einen Eingang 54 wirkt der an einem Potentiometer 50 eingestellte Durchmesserwert. Ein Eingang 55 berücksichtigt die am Potentiometer 56 eingestellte Bandbreite. Im vorliegenden Fall kommt der Ausgang der Recheneinrichtung 52 über einen Schalter 36 bei einer weiteren Beschleunigung nach Wickelbeginn oder bei einer Abbremsung des Wickelhaspels zur Wirkung.
Aus den drei Drehmomentanteilen Bandzugmoment, Biegemoment, Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsmoment werden durch Quotientenbildung mit dem Erregerfluss di des Motors 5, 6 drei den Ankerstrom-Einstellwert bestimmende Anteile 28, 29 und 30 errechnet, die auf den Ausgang 15 der gesamten Recheneinrichtung einwirken. Der Erregerfluss 0 wird aus dem mit Hilfe eines Stromwandlers 26 erfassten Feldstrom-Istwert über eine Nachbildung 37 der Magnetisierungskennlinie des Motors 5, 6 ermittelt. Der Ausgangswert der Nachbildung 37 wird im Verknüpfungspunkt 38 mit dem Einstellwert eines Nachlaufpotentiometers 34 verglichen. Die so gebildete Differenzspannung steuert über einen Verstärker 39 einen Stellmotor 31, dessen Drehwinkel a proportional dem Erregerfluss Q > ist.
Mit dem Schleifer des Potentiometers 34 sind Schleifer von Potentiometer 32, 33 und 35 gekuppelt. Die Abgriffspannungen der Potentiometer 32, 33 und 35 sind so gewählt, dass dem maximalen Erregerfluss 0, der am Nachlaufpotentiometer 34 nachgebildet wird, minimale Abgriffspannungen entsprechen. Umgekehrt entspre chen dem minimalen Erregerfluss 0 maximale Abgriff- spannungen an den Potentiometern 32, 33 und 35. Es ist ohne weiteres möglich, anstelle der Potentiometer 32, 33 und 35 ein gemeinsames Stellorgan vorzusehen, dessen Ausgangsgrösse zunächst dem Erregerfluss 0 proportional ist. Die Quotientenbildung könnte dann wie bei der bekannten Bandzugregeleinrichtung mit Hilfe eines zusätzlichen elektronischen Verstärkers erfolgen.
Anstelle der hier gezeigten Potentiometer können auch induktive, kapazitive oder elektronische Stellorgane verwendet werden.
Zur Abbremsung des Wickelhaspels wird der Schalter 18 geöffnet. Gleichzeitig werden die Schalter 62 und 36 geschlossen. Über den Schalter 36 erfolgt die zur Abbremsung erforderliche Beeinflussung des Ankerstrom-Einstellwertes. Diese Beeinflussung kann eine Vorzeichenumkehr von Ankerstrom-Einstellwert und Ankerstrom des Motors 5, 6 zur Folge haben. Eine Spannung 61 bewirkt über den Kontakt 62 und die Integrationseinrichtung 17 in hier nicht näher zu erläuternder Weise die endgültige Stillsetzung des Wickelhaspels.