DE1438861A1

DE1438861A1 - Antriebssystem mit regelbarer Drehzahl

Info

Publication number: DE1438861A1
Application number: DE19641438861
Authority: DE
Inventors: Woehler Vernon Harold
Original assignee: Allis Chalmers Corp
Current assignee: Allis Chalmers Corp
Priority date: 1963-04-04
Filing date: 1964-04-02
Publication date: 1968-12-19
Also published as: CH421251A; GB1005799A; US3265947A

Description

DR. MÜLLER-BORe braunschweiq, 1. April

DIPL.-INQ. QRALFS am bürserpark β

PATENTANWÄLTE

Expl,

Kl/üe - A 767

Ailis-Ohalmers Manufacturing Company 1126 South 7Oth Street, West Aiiiβ 14, Wisconsin / USA

Antriebssystem mit regelbarer Drehzahl priorität: USA vom 4. April 19b3 (27U 627)

Die Erfindung betrifft ein System von Motoren, Transmissionen und zugeordneten Bauteilen für den Antrieb einer Mehrzahl drehbarer Elemente, insbesondere ein Antriebssystem mit veränderlicher Drehzahl zur Regelung der Drehzahl der genannten Mehrzahl drehbarer Elemente als G-ruppe sowie auoh einzeln* Die Erfindung ist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf ein Antriebssystem mit veränderlicher Drehzahl für eine Maschine zur Herstellung und Behandlung von Bahnen, wie z.B« eine Papiermaschine, anwendbar.

Eine Maschine zur Herstellung von Papier weist eine Mehrzahl drehbarer Elemente, wie Walzen und Pressen, auf, die die Papierbahn im Rahmen der verschiedenen Stufen des Herstellungsverfahrens durch die Maschine transportieren. Da es erwünscht 1st, daß das Material durch alle Abschnitte der Maschine mit annähernd gleicher linearer Geschwindigkeit

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transportiert wird, müssen die drehbaren Elemente die gleiche Umfangsgeschwindigkeit und die davon abhängige Drehgeschwindigkeit haben. Zur Regelung des Papiergewichtes wird die Drehzahl der drehbaren Elemente als Gruppe verändert, so daß die relative Drehzahl zwischen den .Elementen erhalten bleibt. Diese Drehzahl der Elemente und der Motoren wird nachfolgend als Gruppendrehzahl bezeichnet. Eine weitere Betriebsart, die eine Änderung der Gruppengeschwindigkeit erfordert, ist das Anfahren der Maschine mit allmählicher Erhöhung der Drehzahl aller drehbaren Elemente»

Aus verschiedenen Gründen ist es auch erwünscht, die einzelnen Drehzahlen einiger der drehbaren Elemente der Maschine abweichend von der Gruppengeschwindigkeit regeln zu können. Beispielsweise kann die Spannung der Papierbahn durch Änderung der Drehzahlen einiger der drehbaren Elemente verändert werden. Als weiteres Beispiel soll angeführt werden, dass eines der drehbaren Elemente in seinen Abmaßen leicht abweichen kann und daher mit einer Drehzahl, die relativ zu den anderen Elementen der Gruppe verschieden ist, angetrieben werden muß, um diese Abweichung auszugleichen und die gewünschte lineare Geschwindigkeit einzuhalten=

Um diese und andere Forderungen zu erfüllen, sind bisher drei Arten von Antriebssystemen vorgeschlagen worden. Ein

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bekanntes Antriebssystem hat einen einzigen Motor, der die drehbaren Elemente der Papiermaschine mittels Übertragungswellen und Riemen antreibt. üin Nachteil dieses Antriebssystems be stent darin, daß es mehr Raum als andere verfügbare Antriebssysteme beansprucht»

weiteres Antriebssystem verwendet für jedes drenbare Clement der Maschine einen Gleichstrommotor. Obgleich diese Motoren nur wenig Raum beanspruchen und gut drehzahlgeregelt werden können, ist das System relativ teuer und die Bürsten der Gleichstrommotoren erfordern Wartung. Bei einem dritten Antriebssystem treibt ein Wechselstrommotor wie z.Bo ein Induktionsmotor ;jedes drehbare nilement der Maschine über eine veränderliche Transmission an. Wenn auch WechselBtromantriebssysteme gegenüber anderen Antriebssystemen bedeutende Vorteile aufweisen, so sind die bisher bekannten Wechselstromantriebssysteme relativ unanpassungsfähig und teuer

verglichen mit den anderen Systemen«

Ziel der Erfindung ist, ein Antriebssystem mit regelbarer Drenzahl zu schaffen, das die Nachteile bekannter Systeme in praktischer und zufriedenstellender Art beseitigte

Gemäß der Erfindung ist ein Antriebssystem mit veränderlicher Drehzahl zur Regelung der Drehgeschwindigkeit einer Mehrzahl von drehbaren Elementen als Gruppe wie auch einzeln

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vorgesehen, bei dem jedes drehbare Element durch einen frequenzabhangigen Elektromotor über eine Transmission mit veränderlicher Drehzahl einzeln angetrieben wird, und bei dem jeder elektromotor durch eine Energiequelle mit veränderlicher Frequenz gespeist wird. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch Mittel zur Regelung der Gruppengeschwindigkeiti um die Energiequelle mit veränderlicher Frequenz automatisch zu veranlassen, alle der genannten Elektromotoren mit einer gewählten Gruppendrehzahl anzutreiben, und durch Mittel zur Regelung „der Einzeldrehzahi . jeder der Transmissionen mit veränderlicher Drehzahl, um eine automatische Drehzahlregelung jeder der genannten Transmissionen mit veränderlicher Drehzahl und der davon angetriebenen zugeordneten drehbaren Elemente zu erzielen, wobei diese mit einer Drehzahl, die in einer gewählten Beziehung zu der gewählten üruppendrehzahl steht, betrieben werden_o

Die Mittel zur Regelung der Gruppendrehzahl enthalten vorzugsweise Mittel zur Erzeugung eines ersten Signals, das der gewählten Gruppendrehzahl zugeordnet ist, Mittel zur Erzeugung eines gewünschten Bezugsdrehzahlsignals, und Vergleichsmittel, die die ersten und zweiten Signale empfangen und ein Gruppendrehzahl-Regelsignal erzeugen, welches eine Funktion der genannten ersten und zweiten Signale ist und zur Regelung der Ausgangsfrequenz der genann-

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ten Energiequelle mit veränderlicher Frequenz verwendet wird»

Vorzugsweise ist eine frequenzabhängige Vorrichtung mit der genannten Energiequelle veränderlicher frequenz verbunden, um das erste Signal zu erzeugen_e

Die Vergleichsmittel sind vorzugsweise so angeordnet, dass sie das Gruppendrehzahl-Regelsignal nach Größe und Polarität ändern, wenn sich die Gruppendrehzahl gegenüber der Bezugsdrehzahl ändert. Das Gruppendrehzahl-Regelsignal wird einer veränderlichen Transmission, die die Form -einer Wirbelstromkupplung hat und mit einem Synchrongenerator verbunden ist, zugeführt, wobei der magnetische Feldaufbau der Kupplung entsprechend dem Gruppendrehzahl-Regelsignal erfolgt.

Die Mittel zur Regelung der Einzeldrehzahl jeder der genannten Transmissionen können verstellbar sein, um individuelle Änderungen der Drehzahl der Transmission und des zugeordneten drehbaren Elementes erzielen zu können. Zu diesem Zweck können Einstellmittel zur Erzeugung eines selektiven veränderlichen üezugssignals, das den Mitteln zur Regelung der Einzeldrehzahl zugeführt wird, um die individuell gewählten Drehzahlabhängigkeiten zwischen der Drehzahl der Einzelelemente und der Gruppendrehzahl einzuhalten, vorgesehen werden.

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Die Mittel zur Regelung der Einzeldrehzahl enthalten vorzugsweise Mittel zur Erzeugung eines Bezugssignals, welches eine Funktion von der gewählten G-ruppendrehzahl ist, weiterhin ein Potentiometer, dem das Bezugssignal zugeführt wird und von dem ein gewählter Anteil dieses Bezugssignals abgeleitet wird, ferner Mittel zur Erzeugung eines Drehzahlsignals, das der Drehzahl am Ausgang der entsprechenden veränderlichen l'ransmission für jedes drenbare Element zugeordnet ist, sowie Vergleichsmittel zum Empfang des Drehzahlsignals und zum Vergleich dieses Drehzahlsignals mit dem gewählten Anteil des Bezugssignals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals für die Regelung der entsprechenden veränderlichen Transmission, wobei das Ausgangssignal eine Funktion des Drenzahlsignals und des genannten Bezugssignalanteils ist ο

Die Erfindung und ihre weiteren Merkmale werden nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung, die ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Antriebssystems mit regelbarer Drehzahl darstellt, näher beschrieben. Die Linien, die die einzelnen Blöcke innerhalb des Diagramms verbinden, zeigen den Verlauf der Steuersignale und der Energie sowie die Einrichtung zur Übertragung der Signale und der Energie.

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere zum Antrieb der drehbaren Elemente

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einer .fapierherstellungsmaschine, z.B„ der Walzen usw., gedacht·.

Das in der Zeichnung dargestellte Antriebssystem mit veränderlicher Drehzahl gemäß der Erfindung enthält allgemein die folgenden Bauteile und ihre elektrischen und mechanischen Verbindungen:

1. Eine Energiequelle 11, die eine elektrische Ausgangsleistung 12 mit veränderlicher Frequenz liefert.

2β Eine Gruppe von Wechselstrommotoren 14o

3ο Antriebsmittel 15, die eine veränderliche i'ransmission 16, welche jeden Motor 14 mit einer Antriebswelle 10 verbindet^ enthalten. Dabei ist die Antriebswelle 10 mit einem von ihr angetriebenen drehbaren Element (nicht dargestellt) verbunden.

4. Eine Regelung für die Komponenten nach 1,2 und 3 wie vorstehend.

Die vier Komponenten sowie ihre elektrischen und mechanischen Verbindungen werden nachfolgend in der Reihenfolge ihrer Aufzählung beschriebene

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Die Energiequelle 11 mit veränderlioiler Frequenz, die den Teil 1 bildet, enthält einen Drei-Phasen-Synchrongenerator 17, einen Synchronmotor 18, und eine veränderliche Transmission 19, die den Motor mit dem Generator verbindet, um den letzteren mit einer gewählten Drehzahl anzutreiben» Der Motor 18 ist elektrisch mit einem Drei-Phasen-Netz verbunden und läuft mit im wesentlichen konstanter Drehzahl. Die veränderliche Transmission 19 ist vorzugsweise eine Wirbelstromkupplung. Wie bekannt, hat eine Wirbelstromkupplung eine drehbare Eingangswelle und eine drehbare Ausgangswelle, die durch ein magnetisches Feld miteinander veränderlich gekuppelt sind. Der Aufbau des magnetischen Feldes erfolgt in Abhängigkeit von .einem Gruppendrehzahl-Regelsignal 21, wie nachfolgend erläutert wird»

Der Synchronmotor i8 und die veränderliche Transmission 19 bilden eine Quelle mechanischer Drehenergie, deren Drehzahl von dem G-ruppendrehzahl-Regelsignal 21 abhängig ist. Es sind zahlreiche äquivalente Beispiele für eine solche Quelle bekannt, beispielsweise eine Dampfturbine mit veränderlicher Drehzahl.

Die Gruppe der Wechselstrommotren 14, die den Teil 2 bildet, enthält zwei Motoren. Dies ist jedoch nur ein Beispiel und es ist selbstverständlich, daß Teil 2 jede beliebige Anzahl von Motoren enthalten kann. Die Motoren können von einer be-

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liebigen Bauart frequenzabhängiger .Elektromotoren sein, die für die Eapierherstellungsmasohine geeignet ist· Vorzugs- ■ weise sind die Motoren Drei-.i'hasen-Synchronmotoren oder Reluktanzmotoren und die Drehzahl jedes Motors entspricht der Frequenz der elektrischen Energie 12. Die Motoren 14 können Induktionsmotoren sein, wobei ihre Drehzahl der Drehgeschwindigkeit der veränderlichen Energiequelle 11-folgt, jedoch etwas hinter der Synchrondrehzahl zurückbleibt. In jedem fall wird die Synchrondrehzahl als Gruppendrehzahl bezeichnet. Bin Schalter 23 verbindet jeden Motor 14 mit der Energie 12.

Die veränderliche Transmission 16 jedes Antriebs 15, der den 'i'eil 5 bildet, kann eine Wirbelstromkupplung sein, die von dem ^uignal 25 wie nachfolgend beschrieben gesteuert wird_e Ein Untersetzungsgetriebe 26 verbindet wie dargestellt jede Wirbelstromkupplung 16 mit einer Weile 10 der -fapierherstellungsmaschine, um ein drehbares Element (nicht dargestellt) dieser Maschine anzutreiben.

Die den i'eil 4 bildende Regelung enthält (a) Mittel zur Regelung der Gruppendrehzahl, die die Energiequelle veränderlicher Frequenz 11 steuern, um die richtige Frequenz für die gewählte Gruppendrehzahl zu erzeugen, sowie (b) Mittel zur Regelung der Einzeldrehzahl für die Steuerung jeder veränderlichen Transmission 16, um individuelle Abweichungen

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τοπ der Gruppendrehzahl hervorrufen, zu können.

Die Mittel zur Regelung der Gruppendrehzahl (a) für die .energiequelle 11 mit veränderlicher Frequenz enthalten ein Tachometer 28, das mit der ünergiequelle 11 verbunden ist und ein G-ruppendrehzahl-üignal 30 erzeugt, Mittel zur Erzeugung eines Drehzahlbezugssignals 31» und eine 'Vergleichsvorrichtung 32, die das G-ruppendrehzahl-Regelsignal 21 erzeugt.. Die Vergleichsvorrichtung 32, die von einer beliebigen geeigneten Art sein kann, verändert das G-ruppendrehzahl-Regelsignal 21 vorzugsweise nach Größe und Polarität, wenn die Gruppendrehzahl 30 sich gegenüber der Bezugsdrehzahl 31 änderte

Das Tachometer 28 ist als frequenzabhängige Vorrichtung dargestellt, die eine Messung der elektrischen Ausgangsenergie 12 des Generators 17 vornimmt« Das Tachometer kann einen kleinen Generator enthalten, der mechanisch mit dem Generator 17 verbunden ist«

Die Mittel (b) zur Regelung der Einzeldrehzahl für jede veränderliche Transmission 16 enthalten ein Tachometer 35» das mechanisch mit dem Ausgang der veränderlichen Transmission 16 verbunden ist. Tachometer 35 erzeugt ein elektrisches Signal 36, das die Drehzahl am Ausgang der verander- ■ liehen Transmission 16 anzeigt. Eine Drehzahlregelvorrichtung

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36 empfängt das Drenzahlsignal 56 sowie ein elektrisches Bezugssignal 39 und erzeugt Signal ^5, das die veränderliehe Transmission 16 steuert, um eine gewählte .Beziehung zwischen der Ausgangsdrehzahl der veränderlichen !Transmission 1b und einer durch das Signal t>3 repräsentierten Bezugsdrenzahl einzuhalten. Die Mittel zur Regelung der Einzeldreüzahl sind so von der gewählten Gruppendrehzahl und von der Drehzahl jedes einzelnen drehbaren Elementes abhangig, um die Drehzahl des genannten einzelnen drehbaren Elementes in einer vorgegebenen Beziehung zu der gewählten Gruppendrehzahl zu halten.

Die gewählte oder vorgegebene Beziehung der Drehzahl jeder veränderlichen Transmission und somit jeder Welle 10 und des davon angetriebenen drehbaren Elementes zu der Gruppendrehzahl ist individuell veränderlich und die Drehzahlrege !vorrichtung 38 ist zu diesem Zweck einstellbare Ein Bezugs-Elnstellsignal 40 wird, wie nachfolgend beschrieben, zur Durchführung dieser Einstellung erzeugt.

Vorzugsweise ist das Bezugssignal 39 ein von dem Gruppendrehzahlsignal 30 abgeleitetes Signal. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wird das Bezugssignal 39 von Tachometer 28 geliefert. Es können jedoch zwei Tachometer vorgesehen werden, um eo getrennt das Gruppendrehzahl-Signal 30 und das Bezugesignal 3.9 zu erzeugen«

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Die Vorrichtung 38 kann ein Potentiometer enthalten, dem das Signal 39 zugeführt wird und von dem ein gewählter Anteil dieses Signals abgeleitet wird, sowie eine Vergleichsvorrichtung, die das Drehzahlsignal 36 mit dem gewählten Anteil des Bezugssignals '39 vergleicht,,

Das Bezugs-Einstellsignal 40 wird mechanisch zugeführt und verändert die Stellung eines .Potentiometerschleifers, wodurch die Beziehung zwischen der Ausgangsdrehzahl der veränderlichen !Transmission 16 und der Gruppendrehzahl hergestellt wirdo

Zum Anfahren der -fapierherstellungsmäschine wird das Bezugseinstellsignal 40 vorzugsweise so eingestellt, dass die Wirbelstromkupplungen 16 entregt sind und die Motoren 14 von den Wellen 10 trennen. Die Motoren 14 können elektrisch mit dem Generator 17 verbunden werden, wenn der Generator eine beliebige geeignete Drehzahl hat« Vorzugsweise werden die Wirbelstromkupplungen nicht vorher eingeschaltet, bis die Motoren mit ihrer üblichen Betriebsdrehzahl laufen_e

Ergibt sich die Notwendigkeit von Drehzahländerungen, so kann das Bezugssignal 31 verändert werden, um die Gruppendrehzahl der Motoren und somit der Elemente der -fapierherstellungsmasohine zu ändern. Ändert sich die Gruppendrehzahl, so ändert sich das Bezugssignal 39 und veranlasst die ver-

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änaerlichen Transmissionen 16, Ausgangsdrehzahlen, die einem gewählten Anteil der Gruppendrehzahlen entsprechen, einzuhalteno isrfordern einzelne Elemente der Papiermaschine' eine abweichende Drehzahl, so kann das .ßezugseinstellsignal 4ü zur Hegelung der Einzelgeschwindigkeit so eingestellt werden, dass die richtige Geschwindigkeit erzielt wird.

Gelegentlich ist es erwünscht, die Drehrichtung einiger .elemente der Papiermaschine umzukehreno Dies kann durch Vertauschen von zwei oder drei Verbindungen zu dem zugeordneten Motor 14 erfolgen.

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Claims

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ΊΪ Antriebasystem mit regelbarer Drehzahl zur Regelung der Dreiigeschwindigkeit einer Mehrzahl von drehbaren Elementen als Gruppe wie auch einzeln, bei dem jedes .drehbare Element durch einen frequenzabhängigen Elektromotor über eine Transmission mit veränderlicher Drehzahl einzeln angetrieben wird und bei dem jeder Elektromotor durch eine Energiequelle mit veränderlicher Frequenz gespeist wird, gekennzeichnet durch Mittel zur Regelung der Gruppengeschwindigkeit, um die Energiequelle mit veränderlicher Frequenz automatisch zu veranlassen, alle der genannten Elektromotoren mit einer gewählten Gruppendrehzahl anzutreiben, sowie durch Mittel zur Regelung der Einzeldrehzahl jeder der Iransmissionen mit veränderlicher Drehzahl, um eine automatische Drehzahlregelung jeder der genannten l'ransmissionen mit veränderlicher Drehzahl und der davon angetriebenen zugeordneten drehbaren Elemente in einer gewählten Beziehung zu der gewählten Gruppendrehzahl zu erzielen.

2_β Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der Gruppendrehzahl Mittel zur Erzeugung eines ersten Üignals, das der gewählten G-ruppendrehzahl zugeordnet ist, enthalten, sowie Mittel zur Erzeugung eines gewünschten .Bezugsdrehzahl-tfignals

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und Vergleichsmittel, die die ersten und zweiten Signale empfangen und ein Gruppendrehzahl-Regelsignal erzeugen, das eine Funktion der genannten ersten und zweiten Signale ist und zur Regelung der Ausgangsfrequenz der genannten Energiequelle mit veränderlicher .Frequenz verwendet wird«,

5β Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet! dass eine frequenzabhängige Vorrichtung mit der üJnergiequelle veränderlicher Frequenz verbunden ist, um das erste Signal,zu erzeugen«

4· Antriebssystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzabhängige Vorrichtung ein Tachometer ist.

5. Antriebssystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsmittel so angeordnet sind, dass sie das Gruppendrehzahl-Regelsignal nach Grosse und Polarität ändern, wenn sich die Gruppendrehzahl gegenüber der Bezugsdrehzahl ändert, und dass das Gruppendrehzahl-Regelsignal einer veränderlichen Transmission, die die Form einer Wirbelstromkupplung hat und mit. einem Synohrongenerator verbunden ist, zugeführt wird, wobei der Aufbau des Magnetfeldes der Kupplung abhängig vpn dem Gruppendrehzahl-Regelsignal erfolgt.

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Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der Einzeldreh— zahl von der gewählten Gruppendrehzahl und von der Drehzahl jedes einzelnen drehbaren iilementes abhangig sind, um die Drehzahl jedes einzelnen drehbaren .Elementes in einer vorgegebenen Beziehung zu der gewählten G-ruppendrehzahl einzuhalten·

7· Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der Einzeldrehzahl für jede der Transmissionen mit veränderlicher Drehzahl einstellbar sind, um individuelle Änderungen der Drehzahl der Transmission und des zugeordneten drehbaren Elementes zu ermöglichen!»

B. Antriebssystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Einstellmittelzur Erzeugung eines selektiven veränderlichen Be zugs-Jsins teil signals, das den-Mitteln zur Regelung der Einzeldrehzahl zugeführt wird, um die individuell gewählten Drehzahlabhängigkeiten zwischen der Drehzahl der Einzelelemente und der ü-ruppendrehzahi einzuhalteno

9» Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Regelung der Einzeldrehzahl Mittel zur Erzeugung eines-Bezugs-jiinstellsignals, das

ist eine Funktion von der gewählten ü-ruppendrehzahJ/i enthalten,

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sowie weiterhin ein Potentiometer, dem das Bezugssignal zugeführt wird und von dem ein gewählter Anteil dieses Bezugssignals abgeleitet wird, ferner Mittel zur Erzeugung eines Drenzahlsignals, das der Drehzahl am Ausgang der entsprechenden veränderlichen Transmission für jedes drehbare ülement zugeordnet ist, sowie Vergleichsmittel zum .himpfang des Drehzahlsignals und zum Vergleich dieses Drehzahlsignals mit dem gewählten Anteil des Bezugssignals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals für die Hegelung der entsprechenden veränderlichen Transmission, wobei dieses Ausgangssignal eine funktion des Drehzahlsignals und des genannten Bezugssignals ist«,

1ü_e Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentiometer einen beweglichen Schleifer hat, dessen Stellung durch die .einstellmittel gemaü Anspruch ö veränderlich ist.

11· Papierhers-ceilungsmaschine mit einer Mehrzahl drehbarer Elemente für den Transport der Papierbahn durch die Maschine während der verschiedenen Stufen des Papierherstellung sverfahrens in Kombination mit einem Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

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