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Einrichtung zum Anlassen und Bremsen drehzahlgeregelter Elektromotoren
Beim Anlassen und Bremsen drehzahlgeregelter Elektromotoren, insbesondere solcher,
die große Massen zu beschleunigen haben, muß darauf geachtet werden, daß die Beschleunigung
annähernd konstant ist, um unzulässige Ankerströme zu vermeiden und ein ruhiges
Anfahren zu ermöglichen. Ferner ist es erwünscht, daß die Beschleunigungsperiode
ohne Sprünge in den Bereich konstanter geregelter Drehzahl übergeht. Derartige Probleme
liegen beispielsweise beim Antrieb von Förderanlagen, Aufzügen, Papier- und Textilmaschinen
und insbesondere auch von Schleppwagen in Schiffsbauversuchsanstalten vor.
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Zur Beherrschung des Anlaufvorganges sind bereits verschiedene Maßnahmen
bekannt. Es wird entweder eine Ankerstrombegrenzung durchgeführt, wobei in den Drehzahlregelkreis
eine vom Ankerstrom abhängige Zusatzregelung eingeführt wird, oder man läßt den
Sollwert für die Drehzahlregelung stetig von Null auf den vorgeschriebenen Wert
ansteigen. Die letztere Maßnahme ist als gleitende Sollwertvorgabe zu bezeichnen.
Sie ist erzielbar beispielsweise durch ein mittels eines Hilfsmotors verstellbares
Sollwertpotentiometer oder auf der Grundlage von Zeitkonstanten im Regelkreis, insbesondere
bei der Verwendung von Magnetverstärkern für die Regelung.
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Alle bekannten Methoden weisen jedoch verschiedene Nachteile auf.
Bei der Ankerstrombegrenzung ist beispielsweise ein glatter Übergang von der Drehzahl
Null in den Beschleunigungsvorgang und von diesem in die Solldrehzahl nur unter
beträchtlichen Schwierigkeiten erzielbar, und es traten oft unerwünschte Pendelungen
und Sprünge auf. Abgesehen hiervon ist auch der erforderliche Aufwand verhältnismäßig
groß. Letzteres gilt auch für die gleitende Sollwertvorgabe mittels eines motorisch
verstellbaren Potentiometers. Die Verwertung der Zeitkonstanten eines Magnetverstärkerreglers
läßt zwar an Einfachheit nichts zu wünschen übrig, beschränkt jedoch andererseits
die im allgemeinen unentbehrliche Möglichkeit zur Einstellung der Steilheit des
Sollwertanstieges.
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Um einen langsamen Hochlauf bei einem Leonardantrieb zu erreichen,
ist es weiterhin bekannt, die Ausgangsspannung des Leonardgenerators, dessen Erregerwicklung
proportional der Ausgangsspannung eines Regelverstärkers gespeist wird, kapazitiv
auf den Eingang dieses Regelverstärkers gegenzukoppeln, so daß eine als Integrator
wirkende Verstärkeranordnung erhalten wird, die bei sprunghafter Beaufschlagung
mit einer konstanten Eingangsspannung eine zeitlinear ansteigende Ausgangsspannung
liefert.
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In vielen Fällen ist es erforderlich, nicht nur einen einzigen Sollwert
vorzugeben, sondern während des Betriebes laufend Änderungen des Sollwertes vorzunehmen,
um verschiedene Drehzahlen des Antriebes einstellen zu können. Solche Verhältnisse
liegen beispielsweise bei Walzwerks- oder Papiermaschinenantrieben, Fördereinrichtungen
und ähnlichen Anlagen vor.
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Wenn es sich um Umkehrantriebe handelt, so muß der Sollwert mit beliebigem
Vorzeichen gebildet werden können. Darüber hinaus besteht oft die Aufgabe, Beschleunigung
und Verzögerung verschieden groß zu wählen, z. B. die Verzögerung größer als die
Beschleunigung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Anlassen
und Bremsen drehzahlgeregelter Elektromotoren mit gleitender Sollwertvorgabe zu
schaffen, die den oben angeführten Betriebsbedingungen angepaßt ist. Zur Lösung
dieser Aufgabe baut die Erfindung auf einer bekannten Einrichtung mit einem kapazitiv
gegengekoppelten Verstärker als Integrator auf, dessen Eingang während der Beschleunigung
bzw. Verzögerung ein konstantes Steuersignal erhält. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zur Lieferung des konstanten Eingangssignals ein bei von Null verschiedenen
Eingangssignalen übersteuerter Hilfsverstärker dient, an dessen Eingang die Differenz
des Sollwertgebersignals und des Ausgangssignals des Integrators wirkt.
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Der Sollwertgeber ist also erfindungsgemäß zu einem Regelkreis erweitert,
der eine Rückmeldung vom Ausgang des Integrators aufweist. Dadurch erzielt man,
daß bei beliebigen Sollwertsprüngen, die dem Eingang des Hilfsverstärkers zugeführt
werden,
das Ausgangssignal des Integrators mit einstellbarer Steilheit
so lange wächst bzw. fällt, bis es dem neu vorgegebenen Sollwert entspricht.
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Wenn es sich um Umkehrantriebe handelt, müssen die Verstärker so ausgebildet
sein, daß Sallwertsignale mit beiden Vorzeichen erzeugt werden können. Besonders
vorteilhaft ist es, Transistorverstärker in Gegentaktschaltung zu verwenden, an
denen Ausgangssignale beiden Vorzeichens zur Verfügung stehen. Es ist dann leicht
möglich, das gewünschte Vorzeichen zu verwerten.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es ist ein Integrator 1 vorgesehen, der aus einem Verstärker mit Gegenkopplung über
einen Kondensator 2 besteht. Gemäß der Erfindung wird das Sollwertgebersignal am
Eingang E eines Hilfsverstärkers 3 über einen Widerstand 4 zugeführt. Der Hilfsverstärker
3 liefert über einen Widerstand 5 so lange ein konstantes Steuersignal an den Integrator
1, solange der vorgegebene Sollwert größer als der vom Integrator gelieferte Ausgangswert
an dessen Klemme Ä ist. Die übrigen Schaltungselemente der Fig. 1 werden später
erläutert.
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Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Einrichtung ergibt sich
wie folgt: Wird beispielsweise durch einen Handsteuerhebel plötzlich ein neuer Sollwert
vorgeschrieben, der die am Eingang des Hilfsverstärkers 3 angedeutete positive Polarität
hat, so entsteht zunächst am Eingang des Integrators 1 ein positives Eingangssignal
konstanter Größe. Das negative Ausgangssignal des Integrators wird über den Kondensator
2 gegengekoppelt, so daß es nur langsam und linear ansteigen kann. Demzufolge bleibt
auch das Eingangssignal des Hilfsverstärkers 3 positiv, und seine abnehmende Größe
spielt wegen der Übersteuerung des Vertärkers keine Rolle. Sobald jedoch das Ausgangssignal
des Integrators den Sollwert erreicht hat, erhält der Hilfsverstärker 3 das Eingangssignal
0, liefert also an den Integrator 1 kein Steuersignal mehr. Dadurch geht auch der
Ladestrom des Kondensators 2 auf Null zurück. Von da an führt also der Integratorausgang
den Sollwert, auf den auch der Kondensator 2 aufgeladen ist.
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In vielen Fällen ist es erwünscht, Beschleunigung und Verzögerung
verschieden groß zu wählen. Hierzu bestünde grundsätzlich die Möglichkeit, dem Eingang
des Integrators 1 ein zusätzliches Steuersignal zuzuführen, das beispielsweise bei
der Beschleunigung vom Ausgangssignal des Hilfsverstärkers 3 subtrahiert und bei
der Verzögerung zum Ausgangssignal addiert wird. Eine solche Maßnahme bringt bei
Umkehrantrieben jedoch nicht den gewünschten Erfolg, da die konstante Einspeisung
eines Zusatzsignals die Drehrichtung nicht berücksichtigt und daher die Beschleunigung
in der einen Richtung ebenso groß würde wie die Verzögerung in der anderen Richtung.
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Es sei hierzu auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt das
vom Handsteuerhebel gelieferte Sollwertsignai; das dem Eingang E zugeführt wird.
Der Verlauf des Anstiegs dieses Signals spielt keine Rolle, solange er nur rascher
als der vorgeschriebene Verlauf nach Fig. 3 ist.
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Wie Fig. 3 zeigt, steigt bei der Beschleunigung das Signal A am Ausgang
des Integrators linear hoch, bis es den Sollwert erreicht hat. Dies wiederholt sich
auch bei einer nachfolgenden Beschleunigung. Beider Verzögerung ist eine größere
Steilheit des Abstiegs gewählt, die auch bei einer nachfolgenden Verzögerung beibehalten
wird, bis die Drehzahl den Wert Null erreicht hat. Würde man nun die höhere Verzögerung
durch Einspeisen einer konstanten Zusatzgröße am Integrator 1 erzielt haben, so
würde für die andere Drehrichtung die Beschleunigung gleich der Verzögerung in der
vorhergehenden Drehrichtung sein, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 3 angedeutet.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung dem Integrator ein zusätzliches konstantes Steuersignal über einen
trägheitslosen und bei von Null verschiedenen Eingangssignalen übersteuerten weiteren
Hilfsverstärker zur Berücksichtigung der Drehrichtung zugeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist mit in Fig. 1 dargestellt. Der
trägheitslose Hilfsverstärker 7 erhält ein Eingangssignal vom Ausgang des Integrators
1 über einen Widerstand 9 und liefert über den Widerstand 8 ein konstantes Eingangssignal
an den Integrator 1. Soll die Beschleunigung geringer als die Verzögerung sein,
so wird dieses konstante Steuersignal, wie durch die Vorzeichen in Fig. 1 angedeutet,
von dem vom Hilfsverstärker 3 gelieferten Steuersignal subtrahiert.
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Bei der Verzögerung liefert der Hilfsverstärker 3 nicht mehr ein positives,
sondern ein negatives Signal an den Integrator 1, zu dem nun das ebenfalls negative
Signal des Hilfsverstärkers 7 addiert wird. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Verzögerung.
Sobald jedoch die Drehrichtung wechselt, so ändert sich auch das Vorzeichen des
vom Hilfsverstärker 7 gelieferten Steuersignals, das nunmehr wiederum vom Signal
des Hilfsverstärkers 3 subtrahiert wird: Die Beschleunigung in der neuen Drehrichtung
ist also, wie gefordert, geringer als die Verzögerung. Analoge Bedingungen liegen
bei der Verzögerung in der neuen Drehrichtung vor.
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Gegenüber der vorher beschriebenen Einrichtung besteht noch insofern
ein Unterschied, als der Hilfsverstärker 7 dauernd ein Signal an den Eingang des
Integrators 1 liefert, solange der Ausgangswert des Integrators von Null verschieden
ist. Zur Erzielung stationärer Betriebsverhältnisse ist es daher erforderlich, daß
der Hilfsverstärker 3 ebenfalls dauernd ein Signal liefert, das nach Erreichen des
Sollwertes das Signal des Hilfsverstärkers 7 kompensiert. Es wird gewissermaßen
die Nullinie des Hilfsverstärkers verschoben. Dies hat jedoch auf die grundsätzliche
Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfindung keinen Einfiuß.
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In besonderen Fällen kann es erforderlich sein, bei einer bestimmten
Drehrichtung die Beschleunigung und Verzögerung von der Drehzahl abhängig zu machen.
Dies kann beim Erfindungsgegenstand auf einfache Weise erzielt werden. Bei einem
Diagramm nach Fig.3 liegt gewissermaßen ein Knick in der Sollwertkurve vor, der
mit der Drehzahl Null zusammenfällt. Durch Einspeisen eines zusätzlichen konstanten
Signals in den Hilfsverstärker 7 kann dieser Knick an einen beliebigen Drehzahlwert
gelegt werden. Dies ist in Fig. 1 dadurch angedeutet, daß über den Eingang K und
den Widerstand 10 eine Bezugsgröße in den Hilfsverstärker 7 eingeführt wird. Fig.4
zeigt, wie dadurch der Knick im Sollwertdiagramm verschoben werden kann.
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Es ist vorteilhaft, auch den Hilfsverstärker 7 als Transistorgegentaktverstärker
aufzubauen. Falls die
vom Integrator 1 gelieferte Leistung nicht
ausreicht, kann man in Reihe mit ihm einen Anpassungsverstärker entsprechend höherer
Ausgangsleistung vorsehen.