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Die Erfindung betrifft ein System von elektrischen Maschinen, welche jeweils zum Antrieb eines Rotationskörpers vorgesehen sind.
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Bei der Inbetriebsetzung der elektrischen Maschinen sind die elektrischen Maschinen zu parametrieren und einzustellen. Dabei betrifft die Inbetriebsetzung nicht nur eine Erstinbetriebnahme sondern beispielsweise auch Umbauten, Ausbauten, Reparaturen, Modernisierungen, usw.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Inbetriebnahme einer elektrischen Maschine zu verbessern.
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Dies gelingt beispielsweise gemäß eines der Ansprüche 1 bis 10.
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Ein System von Rotationskörpern kann eine komplexe Maschine darstellen. Beispiele für derartige Systeme sind Papiermaschinen, Walzmaschinen, insbesondere Walzstrassen, Druckmaschinen, Schlauchbeutelmaschinen usw. Bei derartigen Systemen/Maschinen gibt es verschiedenen Rotationskörper wie z. B. Oberwalzen, Unterwalzen, Druckwalzen, Andruckwalzen, Transportwalzen, Coiler, usw. Diese Rotationskörper können mittels elektrischer Maschinen angetrieben werden. Ist diese elektrische Maschine eine Synchronmaschine, so weist diese einen Stator und einen Rotor auf. Der Rotor der elektrischen Synchronmaschine ist mechanisch direkt oder indirekt über Getriebe mit einem Rotationskörper verbunden.
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Die Rotationskörper sind untereinander auch mechanisch verbunden. Dabei kann zwischen einer direkten Verbindung und einer indirekten Verbindung unterschieden werden. Eine indirekte Verbindung ergibt sich beispielsweise aus einer Kopplung unterschiedlicher Rotationskörper über ein zu bearbeitendes oder zu verarbeitendes Werkstück. Abhängig von der Maschine, dem System, ist das Werkstück beispielsweise eine Papierbahn, eine Stahlbramme, ein Stahlband, ein Blechband, ein Aluminiumband, ein Schlauchbeutel, usw.
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Weitere Beispiele für Rotationskörper sind ein Zahnrad eines Kettenantriebes, eine Abtriebsrolle/Antriebsrolle eines Riemenantriebes, eine Welle, usw.
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Zur Regelung der elektrischen Maschine ist es notwendig dessen Bewegungsdaten zu kennen, weswegen ein Geber mit dem Rotor der elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt ist. Dieser Geber ist beispielsweise auch dann mit dem Rotor der elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt, wenn der Geber direkt mit dem Rotationskörper mechanisch gekoppelt ist und der Rotationskörper mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist. Der Geber ist beispielsweise ein analoger Geber oder auch ein digitaler Geber. Bei Synchronmaschinen weist der Geber einen Nullimpuls auf. Der Nullimpuls ist insbesondere ein Signal, welches pro Umdrehung einmal generiert wird. Die Orientierung des Rotors in Bezug auf den Ständer der elektrischen Maschine bzw. in Bezug auf den Geber der elektrischen Maschine kann mit Hilfe dieses Nullimpulses festgestellt werden. Die Orientierung des Rotors in Bezug auf den Ständer der elektrischen Maschine bzw. in Bezug auf den Geber der elektrischen Maschine kann auch mit Hilfe eines Nulldurchgangs eines Gebersignals (sin-Signal, cos-Signal) festgestellt werden. Bei einer Ortung des Rotors bzw. bei der Justage des Gebers, werden derartige Orientierungen festgestellt. Der Rotor ist beispielsweise fremderregt oder eigenerregt. Ein eigenerregter Rotor weist insbesondere Permanentmagnete auf.
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Ein System von Rotationskörpern ist derart ausgestaltbar, dass es einen ersten Rotationskörper und einen zweiten Rotationskörper aufweist, wobei der erste Rotationskörper mit einer ersten elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt ist und wobei der zweite Rotationskörper mit einer zweiten elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt ist. Der erste Rotationskörper ist mit dem zweiten Rotationskörper mechanisch gekoppelt. Die erste elektrische Maschine ist mit einem ersten Geber mechanisch gekoppelt. Der Geber ist beispielsweise ein sin/cos-Geber, ein Inkrementalwertegeber oder dergleichen. Es ist ein Positionierungssystem zur Positionierung des Rotors der ersten elektrischen Maschine in Beziehung zum ersten Geber vorgesehen. Damit ergibt sich auch eine Positionierung des Rotors zum Ständer derselben Maschine. Dabei ist der Ständer ortsfest wobei auch der Geber eine ortsfeste Komponente aufweist. Das Positionierungssystem kann in Steuerungsgeräten oder Regelungsgeräten integriert sein. Beispiele für derartige Geräte sind eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), eine Stromrichterregelung, eine Motorregelung oder dergleichen. Das Positionierungssystem ist datentechnisch mit einer Antriebsregelung der zweiten elektrischen Maschine verbunden ist. Auch eine direkte oder indirekte Verbindung des Positionierungssystems mit einer der zweite elektrischen Maschine zuzuordnenden Stromrichterregelung ist möglich.
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Durch die datentechnische Verbindung einer der zweiten elektrischen Maschine zugeordneten Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung mit dem Positionierungssystem (diese kann für eine Positionierung nur bei der ersten elektrischen Maschine zuständig sein oder auch für eine weitere zweite, dritte, usw. elektrische Maschine) kann die Positionierung der ersten elektrischen Maschine (also insbesondere die Ortung bzw. die Geberjustage) abhängig gemacht werden vom Bewegungszustand der zweiten elektrischen Maschine. Zur Positionierung der ersten elektrischen Maschine wird eine erzwungene Bewegung (gesteuert oder geregelt) der zweiten elektrischen Maschine genutzt.
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In einer Ausgestaltung des Systems ist das Positionierungssystem befähigt einen Befehl zur Freigabe einer Bewegung der zweiten elektrischen Maschine abzugeben. Diese Bewegung der zweiten elektrischen Maschine betrifft eine rotatorische Bewegung des Rotors der zweiten elektrischen Maschine und der damit mechanisch gekoppelten Körper. Dies sind insbesondere Rotationskörper, wobei einer dieser Rotationskörper mit dem Rotor der ersten elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt ist und dieser somit passiv mitbewegt wird.
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Das System kann auch derart ausgestaltet sein, dass das Positionierungssystem einen Bewegungsbefehl zur Bewegung der zweiten elektrischen Maschine ausgeben kann. Die Auswirkungen sind entsprechend wie obig beschrieben.
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Das System von Rotationskörpern kann beispielsweise eine Druckmaschine, eine Papiermaschine oder auch eine Walzmaschine (Warmwalzstrasse, Kaltwalzstrasse) sein.
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Bei derartigen Systemen kann beispielsweise ein Verfahren zur Geberpositionierung verwendet werden (z. B. im Ersatzteilfall) bei welchem die aktive Bewegung einer zweiten elektrischen Maschine eine passive Bewegung einer ersten elektrischen Maschine verursacht, wobei die Geberpositionierung einen Geber der ersten elektrischen Maschine betrifft und die aktive Bewegung mittels Elektrizität hervorgerufen wird.
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Zur Geberpositionierung der ersten elektrischen Maschine wird eine zweite elektrische Maschine bewegt, wobei die erste elektrische Maschine mit der zweiten elektrischen Maschine mechanisch direkt oder indirekt gekoppelt ist. Die Kopplung erfolgt beispielsweise durch sich mechanisch kontaktierende Rotationskörper oder auch durch ein Walzgut zwischen zwei Gerüsten einer Walzstrasse.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Geberpositionierung ist ein an die zweite elektrische Maschine gekoppelter Rotationskörper mit der ersten elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt, wobei während einer rotatorischen Bewegung der zweiten elektrischen Maschine eine induzierte Spannung in der ersten elektrischen Maschine gemessen wird.
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Die mechanische Kopplung kann beispielsweise auch über Ketten, Transmissionsbänder, Zahnräder oder dergleichen erfolgen.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Geberpositionierung wird aus der gemessenen Induktionsspannung der ersten elektrischen Maschine und einem Gebersignal des Gebers der ersten elektrischen Maschine ein Winkel ermittelt, wobei insbesondere der Winkel von einem Nulldurchgang einer Spannung abhängt.
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Der Winkel ist insbesondere ein Versatzwinkel zwischen einem Nullimpuls des Gebers und einer Position des Rotors der elektrischen Maschine. Die Position des Rotors bezieht sich dabei beispielsweise auf den elektrischen Winkel. Dies bedeutet, dass die Polpaarzahl der elektrischen Maschine eine Rolle spielt.
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Durch Sprünge in der Drehzahl und große Trägheitsmassen können Schwingungen im System angeregt werden, welche eindeutige Messergebnisse erschweren. Um dieses Problem zu minimieren kann die zweite elektrische Maschine während der Geberpositionierung (d. h. der Ortung) der ersten elektrischen Maschine drehzahlgeregelt betrieben. Der drehzahlgeregelte Betrieb der zweiten elektrischen Maschine ermöglicht eine hohe Präzision der Bewegung des Rotors der ersten elektrischen Maschine, welche mit der zweiten elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt ist.
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Das beschriebene Verfahren ist vorteilhaft bei elektrischen Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen, einsetzbar, welche nicht auf Fundament sitzen. Weiterhin ist das Verfahren bei einer elektrischen Maschine anwendbar, welche von einer antreibbaren Last nicht abgekuppelt werden kann. Ein Abbau der elektrischen Maschine von der Last um diese im Leerlauf zu betreiben ist folglich nicht mehr notwendig.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Geber (z. B. im Austausch) ohne Ausrichtung an die elektrische Maschine angebaut. Der elektrischen Maschine (der ersten elektrischen Maschine) ist ein Stromrichter zur Speisung der elektrischen Maschine zugeordnet. Im Stromrichter kann der maximale Ausgangsstrom auf Null gesetzt werden. Die elektrische Maschine (der Motor) wird als Last mit dem angebrachten (insbesondere ausgetauschten) Geber generatorisch betrieben. Die Last wird mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht. Dabei wird ein geregelter Betrieb verwendet. Die Drehzahl ist also geregelt. Der Antrieb erfolgt über eine zweite elektrische Maschine. Ist die erste elektrische Maschine ein permanenterregter Synchronmotor wird durch die Drehbewegung des Rotors eine elektrische Spannung in den Ständerwicklungen der ersten elektrischen Maschine, also der Maschine mit dem nicht ausgerichteten Geber, induziert. Der Winkel zwischen dem positiven Nulldurchgang der Spannung und der Pollagewinkel wird als Fehlwinkel im Parameter ausgelesen. Der ausgelesene Fehlwinkel wird als Kommutierungswinkel-Offset (also als Korrekturwinkel) im Stillstand dann dazu addiert. Unter Verwendung des Kommutierungswinkel-Offsets beträgt der Fehlwinkel Null oder er ist in etwa Null. Vor dem Betrieb können die Stromgrenzen wieder auf den alten Wert zurückgesetzt werden.
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Diese Verfahrensweise kann zu einer Vereinfachung des Gebertauschs bei Hohlwellenmotoren, die in einer Maschine integriert sind, führen. Ein Abbau des Motors bei Gebertausch ist nach dem beschriebenen Verfahren nicht mehr nötig.
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Nachfolgend werden anhand von Figuren beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 ein erstes System von Rotationskörpern,
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2 ein zweites System von Rotationskörpern,
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3 Verfahrensschritte zur Geberjustage, und
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4 Signalverläufe von Pollagewinkel; Nullmarke und Phasenspannung einer 4-poligen Synchronmaschine.
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt ein erstes System von Rotationskörpern 100. Dieses System weist einen ersten Rotationskörper 1, einen zweiten Rotationskörper 11, eine erste elektrische Maschine 3 und eine zweite elektrische Maschine 13 auf. Für die erste elektrische Maschine 3 ist ein erster Geber 5 und für die zweite elektrische Masche 13 ist ein zweiter Geber 6 vorgesehen. Die elektrischen Maschinen 3 und 13 weisen jeweils einen Rotor 7, 17 auf. Mittels eines Stromrichters 41 ist die elektrische Maschine 3 speisbar. Für die zweite elektrische Maschine 13 ist ein zweiter Stromrichter 40 vorgesehen. Der erste Geber 5, der zweite Geber 6, der erste Stromrichter 41 und der zweite Stromrichter 40 sind über eine Datenkommunikationsleitung 33 mit einem Positionierungssystem 30 verbunden. Mit Hilfe des Positionierungssystems kann das beschriebene Verfahren zur Ortung bzw. Fehlerkorrektur des Versatzwinkels durchgeführt werden. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise der zweite Rotationskörper 11 in eine Drehbewegung versetzt. Hierfür dient die zweite elektrische Maschine 13. Die Drehbewegung des zweiten Rotationskörpers 11 wird über einen dritten Rotationskörper 8 auf den ersten Rotationskörper 1 übertragen. Durch die mechanische Kopplung des ersten Rotationskörpers 1 mit dem Rotor 7 der elektrischen Maschine 3 wird eine elektrische Spannung in den Ständerwicklungen der ersten elektrischen Maschine 3 induziert. Die Spannung kann mittels des Stromrichters 41 erfasst werden. Weiterhin wird ein Null-Impuls des ersten Gebers 5 erfasst. Mit Hilfe der ermittelten Daten, insbesondere dem Null-Impuls und einem Spannungsnulldurchgang einer durch den Stromrichter 49 erfassten Spannung kann ein Fehlwinkel ermittelt werden. Hierzu wird auf 4 verwiesen.
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Die Darstellung gemäß 2 zeigt ein zweites System 200 von Rotationskörpern, welches wie in 1 elektrische Maschinen 3 und 13 aufweist. Diese sind, wie in 1 bereits beschrieben, mit weiteren Elementen des Systems verknüpft. Die Kopplung zwischen dem ersten Rotationskörper 1 und dem zweiten Rotationskörper 11 erfolgt gemäß 2 nicht über einen dritten Rotationskörper 8, sondern über eine Materialbahn 9. Die Materialbahn 9 wird zwischen dem ersten Rotationskörper 1 und einem weiteren Rotationskörper 2 geführt. Durch Bewegung der Materialbahn 9 aufgrund einer Bewegung der zweiten elektrischen Maschine kann damit eine Bewegung der Materialbahn 9 hervorgerufen werden, wobei durch die Bewegung der Materialbahn 9 der erste Rotationskörper 1 und der weitere Rotationskörper 2 mitgenommen/angetrieben wird, so dass der Rotor 7 der elektrischen Maschine 3 durch den ersten Rotationskörper 1, welcher mit dem Rotor über eine Welle verbunden ist, angetrieben wird. Hierdurch wird wie bereits beschrieben, eine Spannung in den Ständerwicklungen induziert, welche Null-Durchgänge aufweist und in Relation zu setzen ist mit den vom ersten Geber 5 erzeugten Null-Impulsen.
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Die Darstellung gemäß 3 zeigt in groben Schritten, wie eine Geberjustage, beispielsweise beim Austausch eines Gebers in einfacher Weise erfolgen kann. In einem ersten Schritt 50 ist ein Geber einer elektrischen Maschine auszutauschen. In einem nachfolgenden Schritt 52 wird ein maximaler Ausgangsstrom eines zugeordneten Stromrichters (insbesondere Umrichters) auf Null gesetzt. In einem darauffolgenden Schritt wird eine Last, insbesondere der Rotor der elektrischen Maschine gedreht. In einem nachfolgenden oder parallel verlaufenden Schritt wird eine induzierte Spannung gemessen. Die Spannung wird in Ständerwicklungen eines Synchronmotors der generatorisch getrieben wird, induziert. Der Winkel zwischen einem positiven Null-Durchgang der Spannung und einem positiven Null-Durchgang des Pollagewinkels wird beispielsweise im Stromrichter gemessen und als Fehlwinkel gespeichert 56. Dabei dient der Umrichter als Positionierungssystem. In einem weiteren Schritt 58 wird der Fehlwinkel als Kommutierungswinkel-Offset zu Positionssignal des Gebers dazu addiert. In einem abschließenden Schritt 60 des Gebertauschers wird die Stromgrenze des Stromrichters auf einen alten oder geeigneten Wert zurückgesetzt.
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Die Darstellung gemäß 4 zeigt Signalverläufe von Pollagewinkel 70, Nullmarke 71 und Phasenspannung 72 einer 4-poligen Synchronmaschine. Die Phasenspannung 72 zeigt den Istwert der Phase U. Der Signalverlauf des Pollagewinkels ist elektrisch normiert. Im vorliegenden Beispiel nach 4 beträgt der ermittelte Fehlwinkel 125
