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Anordnung zur Regelung eines elektrischen Haspelantriebes Bei elektrischen
Antrieben der Haspel von Bandwalzwerken und ähnlichen Einrichtungen ist es bekannt,
den Bandzug dadurch konstant und unabhängig von der Walzgeschwindigkeit und dem
Bunddurchmesser zu halten, daß der Strom im Haspelmotor durch Beeinflussung des
speisenden Generators oder Stromrichters konstant gehalten wird und gleichzeitig
das Motorfeld proportional zum Bunddurchmesser verändert wird. Die Größe des Stromes
wird vom Bedienungsmann durch Einstellen einer Leitgröße vorgegeben, und die Regelung
sorgt dann dafür, daß der Strom dieser vorgegebenen Leitgröße dauernd entspricht.
Dem Strom, der zum Aufrechterhalten des Bandzuges notwendig ist, muß während der
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungszeiten ein Strom überlagert werden, der die Beschleunigungskräfte
ausgleicht, so daß die Summe der Ströme im Haspelmotor bzw. ihre Differenz während
Geschwindigkeitsänderungen des Walzwerkes betriebsmäßig auch ihre Richtung umkehren
kann, d. h., daß der Haspelmotor vom Motor- in den Generatorbetrieb übergeht und
umgekehrt. Bei Umformerspeisung ist dies ohne weiteres möglich, nicht aber bei Stromrichterspeisung,
bei der ja die Stromrichtung durch die Ventilwirkung festgelegt ist. Eine der zur
Überwindung dieser Schwierigkeit entwickelten bekannten Schaltungen ist die »Feldumkehrschaltung«,
bei der also, um das Drehmoment umzukehren, nicht der Ankerstrom, sondern das Motorfeld
gewendet wird.
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Da das Feld aber mit einer großen Zeitkonstante behaftet ist, wird
es zweckmäßig bei abnehmendem Drehmoment nicht konstant gelassen und beim Nulldurchgang
des Drehmomentes plötzlich von dem höchsten Wert einer Richtung auf den höchsten
Wert der anderen Richtung gewendet, sondern das Feld wird mit abnehmendem Drehmoment,
also abnehmendem Ankerstrom, stetig verringert, so daß es auch stetig durch Null
geht und gewendet werden kann Da sich bei einer solchen Regelung also Strom und
Feld des Haspelmotors gleichzeitig ändern, ist der Zusammenhang zwischen Strom und
Drehmoment nicht mehr linear. Einer bestimmten Leitgröße kann nun zwar ein bestimmter
Ankerstrom zugeordnet werden, aber der Zusammenhang zwischen Leitgröße und Drehmoment
ist nicht linear. Das hat zur Folge, daß es nicht mehr möglich ist, während der
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsperioden das Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsdrehmoment
dadurch zu berücksichtigen, daß die Leitgröße um einen entsprechenden Betrag vergrößert
bzw. verkleinert wird, weil eine Änderung der Leitgröße um einen bestimmten Betrag
eine verschiedene Änderung des Drehmomen-
tes zur Folge hat, je nachdem, wie groß
der konstante Anteil der Leitgröße war, der für die Einstellung des Bandzugdrehmomentes
vorgegeben ist. Mit anderen Worten, im nichtlinearen System ist keine Addition möglich,
und es mußte bisher zu sehr komplizierten Ausführungen im Umfange ganzer elektronischer
Rechenmaschinen gegriffen werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wesentlich einfacher dadurch gelöst,
daß die Leitgröße aus einer Führungsgröße unter Zwischenschaltung eines an sich
bekannten linearen Netzwerkes gewonnen wird, wobei dieses Netzwerk in solcher Weise
nichtlinear ist, daß der Zusammenhang zwischen Führungsgröße und Drehmoment linear
wird. Die Leitgröße wird also durch ein nichtlineares Netzwerk zuerst umgeformt
und dann erst zur Beeinflussung des Haspelmotorstromes benutzt. Zur leichteren Unterscheidung
ist im folgenden die ursprüngliche Leitgröße »Führungsspannung« und die durch das
nichtlineare Netzwert umgeformte Größe »Leitspannung« genannt.
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Das Netzwerk muß also im Sinne der Erfindung in solcher Weise nichtlinear
sein, daß seine Nichtlinearität invers zu der des Zusammenhagens zwischen Leitspannung
und Drehmoment ist.
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In Fig. 1 ist eine Schaltung nach der Erfindung dargestellt. Der
Haspelmotor HM (ein Reihenschlußmotor) wird vom Transformator T über den Stromrichter
S gespeist. Der vom Stromrichter abgegebene Strom - nicht seine Spannung! - wird
vom Gittersteuersatz G geregelt. Zu diesem Zweck wird der vom Shunt Sh abgenommene
Spannungsabfall, der den Istwert des Stromes darstellt, im Gittersteuersatz mit
der Leitspannung L verglichen. Der Gittersteuersatz ändert den Zündwinkel der Gitter,
wenn eine Differenz zwischen Istwert und Leitspannung auftritt, derart, daß diese
Differenz verschwindet. Der Motor HM hat zwei ErregerwicklungenE, und E2, die gegensinnig
gewickelt sind, so daß die Richtung des Drehmomentes sich umkehrt, je nachdem, welche
der beiden Wicklungen eingeschaltet ist. Wenn die Leitspannung L eine bestimmte
Größe und Richtung hat, dann regelt der Gittersteuersatz den bestimmten Strom I
ein und schaltet z. B. E1 ein. Wenn L kleiner wird, wird auch I proportional kleiner,
aber wenn L die Richtung umkehrt, dann wird beim Nulldurchgang EI ab- und E2 zugeschaltet,
wie in Fig. 1 durch die Wirkungslinle Plus und Minus angedeutet ist Als Schaltvorrichtungen
können an Stelle mechanischer Schalter auch elektronische Einrichtungen verwendet
werden. Erreicht L wieder die vorherige Größe, aber jetzt umgekehrter Polarität,
dann hat I dieselbe Größe und Richtung wie vorher, aber da E2 statt E1 eingeschaltet
ist, hat das Drehmoment die umgekehrte Richtung. Der Zusammenhang zwischen der Leitspannung
L und dem Drehmoment ist aber nicht linear. Erfindungsgemäß ist das nichtlineare
Netzwerk NN der Leitspannung vorgeschaltet. Das Netzwerk formt die ihm zugeführte
Führungsspannung F um, und es stellt einen solchen nichtlinearen Zusammenhang zwischen
F und L her, daß der Zusammenhang zwischen F und dem Drehmoment linear wird. Die
Führungsspannung F setzt sich zusammen aus der den Bandzug vorstellenden Größe Z
und der Spannung eines »Beschleunigungsgenerators« BG, der während des konstanten
Laufes des Walzwerkes stillsteht und nur in den Perioden der Geschwindigkeitsänderungen
durch Einschalten seines Motors M in Betrieb gesetzt wird. Die Spannung des Beschleunigungsgenerators
wird dann je nach seiner Drehrichtung im einen oder anderen Sinn zu Z hinzugefügt.
Nur dadurch, daß unter dem Einfluß des nichtlinearen Netzwerkes der Zusammenhang
zwischen Führungsspannung F und Motordrehmoment linear geworden ist, ist eine solche
einfache Addition möglich.
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Wie die Eigenschaften des nichtlinearen Netzwerkes bestimmt werden
können, sei an Hand der Fig. 2 erläutert. Darin ist di über AW die Magnetisierungskennlinie
eines Gleichstrommotors. Da die AW infolge der Reihenschaltung proportional zum
Ankerstrom I sind und das Drehmoment D proportional dem Produkt 0 .1 ist, kann durch
die punktweise Ausführung dieser Multiplikation die Kurve D über 1 gezeichnet werden.
F ist die Linie der steigenden Führungsspannung. Wenn sie 1000/o erreicht, soll
auch die Leitspannung 1000/o haben und damit der Ankerstrom l und das Drehmoment
D ebenfalls 100 0/( werden. Wenn nun die Führungsspannung z. B. auf 50°/o ermäßigt
wird (Punkt 1), dann soll auch das Drehmoment auf 50°/o fallen. Aus der KurveD ist
zu sehen, daß dazu aber nicht 500wo, sondern 630/( Ankerstrom notwendig sind (Punkt
2). Um 630/0
Ankerstrom einzustellen, sind 63 o/o Leitspannung notwendig (Punkt 3).
Auf diese Weise kann zu jedem Punkt der Führungsspannung F der zugehörige Punkt
der Leitspannung L ermittelt werden, woraus die KurveL entsteht. In Fig. 3 ist der
Zusammenhang Leitspannung L über FührungsspannungF nochmals in rechtwinkligen Koordinaten
dargestellt. Das nichtlineare Netzwerk NN muß also so gestaltet sein, daß es einen
solchen punktweise bestimmten Verlauf einzustellen gestattet.
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Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, mit der dies möglich
ist. An den mit F bezeichneten Klemmen wird die Führungsspannung angelegt. In Reihe
mit dem einen Leiter ist ein Widerstand R geschaltet und durch den Strom belastet,
der durch eine Parallelschaltung mehrerer Spannungsschwellen fließt. Jede dieser
Schwellen besteht aus einem Widerstand r, einem Ventil v und einer gegen die Sperrichtung
des Ventils v geschalteten Gegenspannung g. Steigt die Führungsspannung von Null
an, dann sind zunächst- alle Ventile v durch ihre Gegenspannung gesperrt. Es fließt
kein Strom durch den Widerstand R, und die Leitspannung steigt ebenso wie die Führungsspannung.
Hat die Führungsspannung die Größe der kleinsten der Gegenspannungen g1 erreicht,
dann wird das Ventil v1 leitend, und der Widerstand R ist von nun an durch den Strom
belastet, der durch den Widerstand r1 fließt, der an ihm auftre tende Spannungsabfall
bewirkt, daß die Leitspannung L langsamer steigt als die Führungsspannung F.
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Nach Erreichen der zweiten Gegenspannung g2 wird auch v2 leitend,
R ist jetzt durch die Parallelschaltung von r1 und r2 belastet, so daß L noch weniger
mit F ansteigt usw. Durch eine genügende Zahl von Gegenspannungsstufen ist es möglich,
sich der Form der Kurve L über F mit jeder gewünschten Genauigkeit anzunähern. Allerdings
gestattet die bisher beschriebene Einrichtung, nur mit steigender Führungsspannung
einen immer flacheren Verlauf von L zu erreichen, d. h. eine Krümmung der Kurve
L über F gegen die F-Achse, wie dies Fig. 3 zeigt. Bei anderen Sättigungsverhältnissen
des Motors könnten in der Kurve aber auch Stellen umgekehrter Krümmung vorkommen.
Um auch diese richtig auszubilden, ist eine zweite Gruppe von Widerständen, Ventilen
und Gegenspannungen r', v', g' notwendig, die parallel zu R geschaltet sind. Wenn
der Spannungsabfall an R die kleinste dieser Gegenspannungen übersteigt, wird das
zugehörige Ventil leitend und der Widerstand r1, parallel zu R geschaltet, also
der weitere Anstieg des Spannungsabfalles vermindert. Da die Führungsspannung auch
ihre Polarität umkehren kann, wobei aber die AbhängigkeitL über F die gleiche bleiben
soll, ist jeder Widerstand r1 bzw. r; usw. mit einem zweiten Ventil umgekehrter
Polarität verbunden, das mit einer Gegenspannung umgekehrter Richtung in Reihe geschaltet
ist. Es ist klar, daß die Feldumkehrschaltung für ausgesprochene Drehmomentsprünge
wegen der Trägheit des Motorfeldes weniger geeignet ist. Wenn aber, wie in Fig.
1 dargestellt, der Beschleunigungszusatz nicht plötzlich, sondern nur im Maße des
Anlaufes des Beschleunigungsgenerators BG hinzugefügt wird, dann kann dem die Feldumkehrregelung
ohne weiteres folgen. Durch Aufsetzen eines Schwungrades auf die Welle des Beschleunigungsgenerators
kann dieser Anstieg den Erfordernissen der Feldumkehrschaltung angepaßt werden.
Es wäre natürlich auch möglich, an Stelle eines rotierenden
Umformers
eine andere Art der Verzögerung des Spannungsanstieges und -abfalles zu benutzen,
z. B. eine Verzögerung durch die Zeitkonstante eines Magnetverstärkers od. dgl.