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Verfahren zur Drehzahlregelung von Mehrnzotorenantrieben für kontinuierliche
Walzenstraßen Der vorliegenden Erfindung liegt die Fragestellung zugrunde, ob es
aus walztechnischen Gründen vorzuziehen ist, die Gleichstromeinzelantriebe einer
kontinuierlichen Walzenstraße in der Drehzahl zu regeln oder nicht. Bedeutet doch
jeder Knüppel- oder Stabeintritt in den Walzenspalt eine Stoßbelastung für den zugehörigen
Antriebsmotor, die mit einem entsprechenden Drehzahlabfall verbunden ist.
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Sieht man keine Drehzahlregelung vor, so kann das den Vorteil haben,
daß ein aperiodischer, d. h. pendelungsfreier Einlauf der Motordrehzahl vom Leerlauf
in den stationären oder Lastzustand erfolgt. Voraussetzung ist, daß die Anlaufzeitkonstante
im Verhältnis zur Ankerkreiszeitkonstante nicht zu klein ist. Der entsprechende
Verlauf der Drehzahlkurve ist in Abb. 1 wiedergegeben. Auf der Abszissenachse ist
die Zeit, auf der Ordinatenachse die Drehzahl abgetragen, wobei der Nullpunkt einerseits
dem Eintreffzeitpunkt des Walzgutes, andererseits der Lastdrehzahl entspricht. Die
Leerlaufdrehzahl ist durch den Schnittpunkt der Kurve mit der Ordinatenachse bestimmt.
Dabei ist die schraffierte Fläche der dem vorderen Teil des Walzgutes erteilten
Reckung verhältnisgleich.
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Ein Nachteil besteht nun hier darin, daß der Antriebsmotor in seiner
Drehzahl um den natürlichen Drehzahlabfall bei normaler Maschine (3 bis 4°/o) nachgibt,
also bei Laständerungen die Drehzahl schwankt. Bei unterschiedlicher Belastung der
einzelnen Antriebe bedeutet das ständig anwachsende Schlingen bzw. eine zunehmende
Reckung des Walzgutes. Zur Abhilfe könnte ein Eingriff von Hand erfolgen. Das ist
aber unerwünscht.
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Wird andererseits eine Drehzahlregelung vorgenommen, so kann man den
Drehzahlunterschied zwischen Leerlauf und Vollast wesentlich herabsetzen, so daß
die Straße starrer wird und weniger Korrekturen erfordert. Die dynamischen Verhältnisse
verschlechtern sich jedoch insofern, als bei Einsatz des Vollaststoßes der Strom
außerordentlich schnell im Motor aufgebaut werden müßte, wenn ein vorübergehendes
Unterschreiten der nunmehr sehr dicht unter der Leerlaufdrehzahl liegenden Arbeitsdrehzahl
vermieden werden soll. Dieses Unterschreiten hat eine Schlingenbildung vor dem Gerüst
zur Folge. Bei dickem Material tritt eine Stauchung ein. Beides ist unerwünscht.
Den Verlauf der Drehzahlkurve in diesem Falle zeigt Abb.2. In ihr entspricht der
von links oben nach rechts unten schraffierte Teil der Schlingenbildung, der andere
schraffierte Teil wie bei Abb. 1 der Rekkung.
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Die Erfindung schafft hier Abhilfe. Bei einem Verfahren zur Drehzahlregelung
von Mehrmotorenantrieben für kontinuierliche Walzenstraßen, deren einzelne Teilmotoren
auf eine der Arbeitsdrehzahl entsprechende Grunddrehzahl eingestellt sind und denen
zur Ausregelung von Belastungsstößen entweder im Feld- oder im Ankerkreis Zusatzspannungen
zugeführt werden, sieht sie vor, daß der der Grunddrehzahl entsprechenden Erregerspannung
eine Gegenspannung überlagert wird, die mit dem Einsatz des Laststoßes oder kurz
danach und innerhalb der Aufbauzeit des Antriebsmotorankerstroms annähernd linear
über ein ebenfalls einstellbares Minimum verläuft, oder daß mit der Ankerspannung
sinngemäß verfahren wird.
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Mit der Einführung einer Gegenerregungsspannung oder einer additiven
Ankerspannung ist zunächst einmal die Möglichkeit gegeben, dem Antriebsmotor eine
Erhöhung der Leerlaufdrehzahl vor Einsatz des Belastungsstoßes zu vermitteln, so
daß im Stoßaugenblick selbst eine größere kinetische Energie zur Verfügung steht.
Aus dieser kann die Walzarbeit gedeckt werden, bis der Ankerstrom und damit das
Drehmoment des Antriebsmotors aufgebaut ist.
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Es ist nun schon eine Einrichtung zur Drehzahlregelung der Antriebsmotoren
einer kontinuierlichen Walzenstraße vorgeschlagen worden, bei der die Drehzahl eines
Motors von der Belastung eines anderen, zur gleichen Walzenstraße gehörenden und
im Arbeitsgang vorangehenden Motors abhängig ist. In kennzeichnender Weise ist dabei
die Drehzahl jedes Antriebsmotors der Walzenstraße von vornherein niedriger eingestellt,
als der durch die Längenänderungen des Walzgutes bedingten tatsächlichen Walzgeschwindigkeit
entsprechen würde, wie auch in Abhängigkeit von der Belastung des jeweils vorangehenden
Motors
die Drehzahl des folgenden Motors selbsttätig erhöht wird, sobald das Walzgut in
das Walzgerüst des vorangehenden Motors eintritt. Wohl wird auch bei der bereits
vorgeschlagenen Regeleinrichtung einer festen Spannungsgrundkomponente des Motorankerkreises
eine additive Komponente überlagert, doch verläuft diese nur beim erfindungsgemäßen
Regelverfahren mit dem Einsatz des Laststoßes am gleichen Motor von einem vorher
wirksamen festen, einstellbaren Wert aus annähernd linear über ein ebenfalls einstellbares
Maximum. Dementsprechend kommt es auch nur bei Anwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens
zu der in Abb.4 wiedergegebenen geknickten Drehzahlkennlinie des hier völlig für
sich betrachteten einen Antriebsmotors der Walzenstraße. Nur in diesem Falle ist
es möglich, die im Leerlauf vorgesehene Drehzahlerhöhung des einen Antriebsmotors
mit an ihm einsetzender Belastung, und zwar bis zum Zeitpunkt der Erreichung eines
vorgegebenen Laststrombruchteils unwirksam zu machen und gleichzeitig den gleichen
Antriebsmotor indirekt so zu kompoundieren, daß er bei weiterem Ansteigen der Last
einen. nahezu parallel der Horizontalen verlaufende Kennlinie n = f (J) aufweist,
also unabhängig von jeder Belastung läuft.
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Demgegenüber wirken sich bei der bereits vorgeschlagenen Regeleinrichtung
alle Belastungen des vorangehenden Motors auf den jeweils betrachteten aus. Dieser
läuft also nie belastungsunabhängig. So kann es beispielsweise geschehen, daß, nachdem
das Ende des Walzgutes das Walzgerüst des ersten Motors passiert hat, das Walzgerüst
des zweiten Motors das Walzgut gegenüber dem Walzgerüst des dritten Motors festhält,
so daß es zu einer unerwünschten, im Arbeitsgang nicht vorgesehenen Reckung des
Walzgutes kommt.
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Die frei wählbare Grunderregung bzw. der frei wählbare Grundstrom
oder die Ankergrundspannung können beim erfindungsgemäßen Regelverfahren je nach
der gewünschten Grunddrehzahl eingestellt werden. Dabei wird zweckmäßig dieser Feldstromanteil
oder die zusätzliche Ankerspannung auf einen konstanten Wert eingeregelt. Stromwärmeverluste
in der Erreger- oder Ankerwicklung finden so ihren Aus-"l Der Anfangswert der Gegenerregungsspannung
oder der additiven Ankerspannung wird erfindungsgemäß so eingestellt, daß die Grundspannung
im Leerlauf um einen Betrag geschwächt oder erhöht wird, der jener Feldschwächung
oder Ankerspannungserhöhung entspricht, die erforderlich wäre, um den Drehzahlabfall
des Antriebsmotors bei Lasteinsatz durch Feldschwächung oder Ankerspannungserhöhung
auszugleichen.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Verlauf der Feld-bzw. Stromgegenkomponente
oder der zusätzlichen Ankerspannung ermöglicht es, die im Leerlauf vorgesehene Drehzahlerhöhung
mit einsetzender Belastung, und zwar bis zum Zeitpunkt der Erreichung eines vorgegebenen
Laststrombruchteiles unwirksam zu machen und gleichzeitig den Antriebsmotor indirekt
so zu kompoundieren, daß er bei weiterem Ansteigen der Last eine nahezu parallel
der Horizontalen verlaufende Kennlinie n = f (J) aufweist.
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Hiernach liegt die Bedeutung der Erfindung darin, daß der ihr gemäß
drehzahlgeregelte Antrieb die Vorzüge eines Antriebes ohne Regelung besitzt. Dazu
gehören die Vermeidung einer Schlingenbildung beim Vollaststoß und der Fortfall
von egeleinrichtungen, wie beispielsweise von Tacho eterdynamos. Dabei haften ihm
aber nicht dessen \achteile an. Vielmehr ist bei der Regeleinrichtung nach der Erfindung
innerhalb eines wählbaren Lastbereiches, dessen untere Grenze im Walzwerkbetrieb
nicht unterschritten wird,, die Drehzahl im stationären Zustand lastunabhängig.
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In der Abb. 3 ist gezeigt, wie sich durch die erfindungsgemäße Strombeschickung
der Erregerwicklungen) die Schwächung des Grundfeldes durch das Gegenfeld in Abhängigkeit
vom Aufbau des Motorstroms ändert. Dabei ist schon der Fall zugrunde gelegt, daß
sich in einer Fortführung des Erfindungsgedankens das Gegenfeld aus zwei Anteilen
zusammensetzt. Der erste ändert sich zumindest annähernd proportional dem Belastungsstrom.
Der zweite fällt mit dem Einsatz des Laststoßes oder kurz danach und innerhalb der
Aufbauzeit eines wählbaren Laststrombruchteiles von einem vorher wirksamen, festen
einstellbaren Wert aus gleichmäßig oder schlagartig auf Null ab. Die auf den ersten
Anteil zurückgehende Schwächung des Grundfeldes ist mit d 03, die vom zweiten Anteil
herrührende mit d 02 bezeichnet. Ihr Verlauf ist durch die gestrichelten Geraden
2 und 3 wiedergegeben. Dabei ist der Einfachheit halber das Grundfeld = 0 angenommen.
Beide Anteile setzen sich zu der resultierenden Grundfeldschwächung d c.T)"Z zusammen,
deren Verlauf die ausgezogene Kurve verdeutlicht. Der Bruchteil des Ankerstroms,
bei dessen Erreichen der zweite Anteil der Gegenkomponente in Null einläuft, ist
hier zu 30% des vollen Motorankerstroms gewählt.
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Die Umsetzung dieser Feldverhältnisse in stationäre Drehzahlkennlinien
sei an Hand der Abb. 4 erläutert. Dabei soll die punktiert ausgezogene Gerade 0
die Motorkennlinie für den Fall darstellen, daß beide Anteile des Gegenfeldes =
0 sind. Mit Einführung des zweiten Anteiles des Gegenfeldes und unter der Voraussetzung,
daß er seinen Ausgangswert beibehält, würde diese Kennlinie in die gestrichelt ausgezogene
Gerade 1 übergeführt werden. Nun bleibt aber dieser Anteil nicht konstant, sondern
nimmt genau wie die ihm entsprechende Schwächung 402 des Grundfeldes durch die auf
3011/o steigende Belastung auf Null ab. Diese Abnahme allein würde zur ebenfalls
gestrichelt ausgezogenen Kennlinie 2 führen. Andererseits würde der erste Anteil
des Gegenfeldes, nämlich der dem Belastungsstrom proportionale- Anteil, allein zur
Kennlinie 3 führen. Aus der tJberlagerung beider - den Werten von 2 sind die Wertdifferenzen
von 3 und 1 hinzuzufügen - entsteht die geknickte Kennlinie 4, die den wirklichen
Kennlinienverlauf wiedergibt. Ihre Endpunkte einschließlich des Knickpunktes sind
durch die Buchstaben A, B, C gekennzeichnet. Hier fällt also mit Einsatz
der arbeitsmäßigen Belastungsstöße die Drehzahl vom Werte der überhöhten Leerlaufdrehzahl
gleichmäßig ab, bis der Motorstrom zu 3011/o aufgebaut ist. Von da ab bleibt sie
konstant. Diese Darstellung läßt erkennen, daß durch Änderung der Feldschwächungen
d 02, d 03 und des Motorstrombruchteiles innerhalb dessen Aufbauzeit die Leerlaufdrehzahlüberhöhung
unwirksam gemacht wird und der ganze Bereich zwischen den Geraden 0, 1 für die Gewinnung
der geknickten Kennlinie herangezogen werden kann.
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In besonders einfacher und zweckmäßiger Weise trägt der Antriebsmotor
zwei mit gleichem oder entgegengesetztem Wicklungssinn aufgebrachte Erregerwicklungen,
die je für sich an einen Anker eines Gleichstromgenerators und ihrem Wicklungssinn
entsprechend entgegengesetzt oder gleichgepolt angeschlossen sind. Dabei wird, der
festen Grunderregung entsprechend, der eine Generator mit einem konstanten,
aber
einstellbaren Feldstrom gespeist, während der Feldstrom des anderen einen der obenerwähnten
Gegenkomponente entsprechenden Verlauf zeigt.
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Ein hierher gehörendes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Ausübung
des Regelverfahrens nach der Erfindung zeigt in schematischer Darstellung die Abb.
5. In ihr bedeutet 1 den Antriebsmotor mit den beiden Erregerwicklungen 2 und 3.
Diese sind in die Ankerkreise der Gleichstromgeneratoren 4 und 5 gelegt. Die Flußrichtungen
der beiden Feldströme sind dabei, wie durch Pfeile angedeutet, einander entgegengesetzt.
Die Wicklung 2 erzeugt das Grund- und die Wicklung 3 das Gegenfeld. Während der
Generator 4 nur eine Feldwicklung 6 besitzt, trägt der Generator 5 deren zwei, nämlich
die Wicklungen 7 und B. Die Feldwicklung 6 ist, wie hier nicht näher dargestellt,
von einem konstanten Strom gespeist, dessen Wert entsprechend der Grunddrehzahl
des Motors 1 eingestellt ist. Die Erregerwicklung 7 ist an einen in den Ankerkreis
des Motors 1 gelegten Widerstand 9 angeschlossen. Dementsprechend ändert sich diese
Erregerkomponente des Generators 5 proportional dem Belastungsstrom des Antriebsmotors
1. Dagegen liegt die zweite Erregerwicklung 8 des Generators 5 im Anodenkreis der
Triode 10. Deren Aodenspannung ist an die Klemmen 11 und 12 angeschlossen zu denken,
während an den Klemmen 12 und 13 die negative Gittervorspannung der Triode 10 liegt.
Demgemäß steuert der Abgriff 14 des Widerstandes 15 den Stromeinsatz des Anodenkreises
und, sofern dieser einmal erfolgt ist, auch die Stärke des Anodenstroms selbst.
Dazu bedarf es zunächst einmal gar nicht einer zusätzlichen Steuerspannung. Also
legt der Abgriff 14 unter Vermittlung der Wicklungen 8 und 3 den Ausgangswert des
Motorgegenfeldes und damit die Drehzahlüberhöhung im Leerlauf fest. Er regelt also
auch die Lage des Punktes A in den Abb. 3 und 4. Die eigentliche Steuerspannung
der Triode 10 wird am Widerstand 16 mittels des Abgriffes 17 abgegriffen. Der Widerstand
16 ist dabei parallel zum Widerstand 9 des Motorankerkreises geschaltet, und zwar
so, das sein negatives Ende am Gitter der Röhre 10 liegt. Setzt also mit einem Laststoß
der Laststrom ein, so. erscheint am oberen Ende des Widerstandes 16 eine wachsende
negative Spannung. Sie wird den Anodenstrom der Röhre 10 und damit den von der Wicklung
8 über die weitere Wicklung 3 erzeugten Gegenfeldanteil um so früher zum Erlöschen
bringen, je höher der Abgriff 17 geschoben ist. Dieser ist also mit seiner Lage
bestimmend für die Lage und Höhe des Gegenfeldminimums oder für die Neigung der
d 02 Linie in Abb. 3. Bei der Drehzahlkennlinie 4 bestimmt er die Lage des Knickpunktes
B. Mit anderen Worten: Die Stellung des Abgriffes 17 legt denjenigen Bruchteil des
endgültigen Laststroms fest, innerhalb dessen Aufbauzeit die im Leerlauf benutzte
Drehzahlerhöhung wieder unwirksam gemacht wird.
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An die Stelle der Triodenschaltung in Abb. 5 kann ganz allgemein ein
Steuerorgan oder -gerät treten, dessen Steuerglied gleichsinnig von einer festen,
einstellbaren Spannung und einer zweiten Spannung betätigt wird, die bezüglich ihrer
Steuerhöchstwirkung auf vorgegebene Laststrombruchteile einstellbar, sonst aber
laststromabhängig ist. Für die Triodenschaltung gilt ganz allgemein, daß das Steuergitter
mit einer festen, einstellbaren und negativen Vorspannung sowie mit einer ebenfalls
negativen, dem Ankerkreis des Antriebsmotors entnommenen Spannung zu beaufschlagen
ist, die in ihrer Sperrwirkung auf bestimmtet Laststrombruchteile einstellbar ist.
An die Stelle der Triode kann beispielsweise auch ein magnetischer Verstärker treten,
der im Arbeitskreis einen Gleichrichter enthält.
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Man kann, wie bereits mehrfach erwähnt, auch von der Ankerkreisseite
her die Drehzahl des Antriebsmotors regeln. Erfindungsgemäß kann das in besonders
einfacher Weise in Anlehnung an das in Abb. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel erfolgen.
Der Ankerkreis des Antriebsmotors ist dann von einem Leonardgenerator zu speisen,
der an die Stelle des Motors 1 in Abb. 5 tritt. Dabei ist gleichzeitig der Stromkreis
des bisherigen zweiten Gleichstromgenerators 5 umzupolen.
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In den Abb. 6a und 6b sind dynamische Drehzahlkennlinien it
= f (t) bei fester Grunderregung wiedergegeben. Der Nullpunkt ist unterdrückt.
Die Abszissenachse entspricht der Geschwindigkeit w des ankommenden Walzgutes, die
dynamisch, also im Stoß, der Antriebsmotor nicht unterschreiten darf, sollen nicht
Schlingen vor dem Gerüst auftreten. Die Abb. 6 a betrifft den Fall eines Antriebsmotors
mit einer stationären Kennlinie entsprechend der Geraden 0 in Abb. 4, Abb. 6 b den
Fall eines Antriebsmotors mit stationärer Kennlinie gemäß der geknickten Linie 4
in Abb.4. Dabei entspricht I einer stoßweisen Belastung mit Nennstrom. Die drei
in beiden Abbildungen wiedergegebenen Kurven entsprechen Belastungen, von unten
nach oben betrachtet, von Iiooolo) I75 und Isoo;o. _ Im Falle der Abb. 6 a träte
bei einem V ollaststoß keine Schlinge auf, aber bei Lastschwankungen würde sich
die Geschwindigkeit ändern, und zwar bei unterschiedlichen relativen Belastungen
der Gerüste in unterschiedlicher Weise.
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Im Falle der Abb. 6 b laufen alle Kennlinien der gleichen Endgeschwindigkeit
zu. Im Stoßaugenblick verhalten sie sich so, als ob das Feld unverändert wäre wie
im Falle der Abb. 6a, dann sinken sie entsprechend der Zeitkonstante des Feldes
ab.
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Die Regelanordnung nach der Erfindung ist keinesfalls auf das gezeigte
Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann anstatt der dort benutzten zwei Erregerwicklungen
des Antriebsmotors auch nur eine einzige vorgesehen werden. Ihr wäre z. B. durch
eine einzige Erregermaschine, einen steuerbaren Gleichrichter oder einen magnetischen
Verstärker die Summe der beschriebenen Einflüsse aufzudrücken, also die Summe der
Steuerwirkungen der in den drei Wicklungen 6, 7, 8 der Abb. 5 fließenden Ströme.
Das kann z. B. über getrennte Erregerwicklungen der Maschine 4 in Abb. 5 oder durch
Summierung im Gitterkreis eines Röhrengleichrichters oder durch Summierung in der
Steuerwicklung eines magnetischen Verstärkers erfolgen. Ebenso können bei getrennten
Erregerwicklungen für Grundfeld und Kompoundierung statt der in Abb. 5 gezeichneten
Erregermaschinen die soeben genannten Energiequellen wahlweise verwendet werden.
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Abschließend sei bemerkt, daß die schon erwähnte schlagartige Zurücknahme
des zweiten Anteils der Gegen- oder additiven Komponente bei Erreichen eines vorbestimmten
Laststromes oder direkt mit dem Einsatzes des Laststoßes erfolgen kann. Im letzteren
Falle kann der betreffende Schaltvorgang vom eintretenden Walzgut, beispielsweise
photoelektrisch, ausgelöst werden.