DE19647637A1 - Walzstraße mit zumindest einem Walzgerüst mit Drehstromantriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Walzstraße mit zumindest einem Walzgerüst zum Walzen von Walzgut, wobei das Walzgerüst von zumindest einem Drehstrommotor angetrieben wird.

Die Erfindung bezieht sich auf Walzstraßen mit großem Dreh­ zahlstellbereich gemäß der US 4 882 923, die als Referenz einbezogen ist.

Die in der US 4 882 923 beschriebene Walzstraße weist Elek­ tromotoren zum Antrieb mindestens eines der Walzgerüste auf, deren Verhältnis von maximaler zu minimaler Walz­ geschwindigkeit mindestens 3,0, aber höchstens 10,0 beträgt. Für den in der US 4 882 923 offenbarten, nicht in besonderer Weise geregelten Antriebsmotor wird erwartet, daß er in den beschriebenen Drehzahlbereich eine gleichbleibende Leistungs­ abgabe gemäß seiner Nennleistung vorweist. Bei einem Dreh­ strommotor ist aber ein Regelbereich gleichbleibender Lei­ stungsabgabe nur mit einem Zusatzaufwand zu realisieren, der um so größer ist, je größer der Regelbereich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Walzstraße mit Drehstrom­ motoren anzugeben, bei der die Leistungsdaten der Motoren ei­ ne freizügigere Gestaltung der Walzprogramme als mit den her­ kömmlichen Walzstraßen, insbesondere eine optimalere Gestal­ tung als mit der in der US 4 882 923 beschriebenen Walzstraße erlauben. Weiter ist es wünschenswert die Zusatzaufwendungen, d. h. die Kosten für ein großes Verhältnis von maximaler Walz­ geschwindigkeit zu minimaler Walzgeschwindigkeit geringer als bei herkömmlichen Walzstraßen zu halten und ebenso die Aus­ nutzung der installierten Antriebsausrüstung sowie deren Wir­ kungsgrad zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Walzstraße mit zumindest einem Walzgerüst zum Walzen von Walzgut gelöst, wo­ bei das Walzgerüst von zumindest einem Drehstrommotor ange­ trieben wird, dessen Drehzahl zum Walzen des Walzgutes in Ab­ hängigkeit der Anforderungen des Walzprozesses mittels eines Reglers zwischen einer minimalen Drehzahl und einer maximalen Drehzahl einstellbar ist, wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl zu minimaler Drehzahl zwischen 2,0 und 8,0 liegt und wobei der Drehstrommotor eine Leistung verfügbar macht, die, insbesondere in optimaler Weise, an den Walzprozeß anpaßbar ist und von der Dauerleistung (continuous output) des Dreh­ strommotors bei minimaler Drehzahl oder von der Nennleistung (continuous rated output) des Drehstrommotors, d. h. z. B. der Nennleistung, wie sie auf dem Typenschild des Drehstrommotors angegeben ist, abweicht. Die erfindungsgemäße Walzstraße ist besonders in einer Ausführung als mehrgerüstige Walzstraße von Vorteil. Während die Walzstraße gemäß der US 4 882 923 auf eine Betriebsweise bei Nennleistung fixiert ist, welche die sie antreibenden Elektromotoren bei minimaler Drehzahl als Dauerleistung (continuous rated output) abzugeben imstan­ de sind, wird gemäß der erfindungsgemäßen Walzstraße die ab­ gegebene Leistung nicht auf diesem Wert konstant gehalten, sondern es wird eine variable Leistung angegeben. Auf diese Weise ist es möglich, in besonders flexibler und optimaler Weise auf unterschiedliches Walzgut, z. B. in bezug auf unter­ schiedliche Abmessungen, Temperatur oder Stahlqualität, zu reagieren.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erlaubt die Re­ gelung des Drehstrommotors eine Dauerleistungsabgabe, die in einem weiten Drehzahlbereich größer ist als die Dauerleistung (continuous output) des Drehstrommotors bei minimaler Dreh­ zahl. Während die Elektromotoren gemäß der US 4 882 923 mit Nennleistung betrieben werden, wird die vorteilhafterweise ausgestaltete Walzstraße mit Drehstrommotoren betrieben, die für ausgewählte Walzprogramme im Bereich zwischen minimaler und maximaler Drehzahl über beliebige Zeit oberhalb ihrer Nennleistung (continuous rated output) gemäß der US 4 882 923 laufen. Sofern die erfindungsgemäß angebotene Leistungsreser­ ve nicht oder nur zum Teil genutzt wird ist es möglich, so­ wohl die Drehstrommotoren als auch die sie speisenden Umrich­ ter kleiner und kostengünstiger auszuführen als bei einer Walzstraße gemäß der US 4 882 923.

In weiterer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die verfügbare Leistung des Drehstrommotors im Bereich zwischen der minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl variabel. Für verschiedene Walzprogramme wird damit ein unterschiedli­ cher Leistungswert angeboten, wie z. B. in Fig. 2 und in Fig. 5 gezeigt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Drehstrommotoren im vorgesehenen Drehzahlbereich kurzzei­ tig eine höhere Leistung P_S als die Dauerleistung P abgeben, insbesondere die 1,5- bis 2,5-fache Dauerleistung. Es ist weiter vorgesehen, daß die kurzzeitige Leistungsabgabe in ei­ nem weiten Drehzahlbereich in analoger Weise über der Kurz­ zeitleistung bei minimaler Drehzahl P_S(min) liegt, wie die Dau­ erleistungsabgabe P über der Dauerleistung P_(min). Dabei ist für Kaltwalzen der Bereich des 1,5- bis 1,75-fachen der Dau­ erleistung und für Warmwalzen der Bereich des 1,75- bis 2,25-fachen der Dauerleistung besonders vorteilhaft. So wird eine erhöhte Sicherheit für den Walzbetrieb mit seinen stoßartigen Beanspruchungen und seinen Anforderungen an Beschleunigungen und Drehzahlkorrekturen erreicht. Als Kurzzeitleistung im obengenannten Sinne ist dabei die Leistung zu verstehen, die der Drehstrommotor während des Walzens eines Walzgutes, z. B. eines Walzbandes ohne Schädigung kurzzeitig verfügbar macht.

Die Erfindung ist bei Asynchronmotoren oder Synchronmotoren einsetzbar. In vorteilhafter Anwendung der Erfindung wird der Drehstrommotor oberhalb der minimalen Drehzahl mit einer Lei­ stung oberhalb seiner Dauerleistung (continuous output) bei minimaler Drehzahl betrieben, wobei das Verhältnis von maxi­ maler Drehzahl zu minimaler Drehzahl zwischen 2,0 und 8,0 liegt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung liegt das Verhältnis von maximaler Drehzahl zu minimaler Drehzahl zwischen 2,0 und 5,0. Der Bereich oberhalb eines Drehzahlver­ hältnisses von 5,0 ermöglicht zwar einen besonders flexiblen Betrieb der Walzstraße, dem gegenüber führen aber besonders große Drehzahlverhältnisse zu der Notwendigkeit größere Zu­ satzaufwendungen bei Umrichtern und Motoren vorzusehen. Unter dieser Randbedingung hat sich der Bereich 2,0 bis 5,0 für das Verhältnis von minimaler Drehzahl zu maximaler Drehzahl als besonders vorteilhaft erwiesen (vergl. Fig. 3).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Dreh­ strommotor, der als Synchron- oder Asynchronmotor ausgebildet ist, im Drehzahlbereich zwischen der minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl mit einer Leistung betrieben, die grö­ ßer ist als die Dauerleistung des Drehstrommotors bei minima­ ler Drehzahl und die größer ist als die Leistung des Elektro­ motors bei maximaler Drehzahl, wobei die Dauerleistung (continuous output) bei maximaler Drehzahl gleich oder größer als die Dauerleistung bei minimaler Drehzahl ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Drehstrom­ motor im Drehzahlbereich zwischen der minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl in analoger Weise mit einer Kurzzeit­ leistung betrieben, die größer ist als die Kurzzeitleistung des Drehstrommotors bei minimaler Drehzahl und die größer ist als die Kurzzeitleistung des Drehstrommotors bei maximaler Drehzahl, wobei die Kurzzeitleistung bei maximaler Drehzahl gleich oder kleiner als die Kurzzeitleistung bei minimaler Drehzahl ist.

Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß der Drehstrom­ motor in Ausbildung als Synchronmotor durch einen variablen Verschiebewinkel zwischen der inneren Spannung und dem Stän­ derstrom auf die optimale Wirklastabgabe geregelt wird. So ist eine besonders günstige Regelung eines Walzwerksantriebs in dem vorgegebenen Drehzahlbereich möglich. Es ist aber vor­ gesehen, daß oberhalb der minimalen Drehzahl zur Leistungser­ höhung abhängig von der Drehzahl zunächst die innere Spannung e erhöht und nach Erreichen der Spannungsgrenze des Umrich­ ters die Phasenlage des Ständerstroms bis zum Maximalwert ge­ regelt wird. So werden die physikalischen Gegebenheiten eines Synchronmotors besonders gut ausgenutzt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß mittels der Regelung die Phasenlage des Stromes derart ein­ gestellt wird, daß sich ein gleicher Phasenwinkel zwischen Ständerstrom i_S und der elektromotorisch erzeugten inneren Spannung e wie zwischen dem Ständerstrom i_S und einer fikti­ ven inneren Spannung u bildet. Die fiktive innere Spannung u wird als Gegenspannung zur Abdeckung der vektoriellen Summe der wirkverlustunabhängigen Spannungen definiert, die sich zusammensetzt aus der inneren Spannung e und dem induktiven Spannungsabfall i_S.x_s. Dabei ist x_s die Reaktanz der Stän­ derwicklung des Drehstrommotors. So ergibt sich die erfin­ dungsgemäß gewünschte optimale Regelung mit ihren vorteilhaf­ ten Auswirkungen und der Möglichkeit einer vorteilhaften, größtmöglichen Leistungsabgabe mit reduziertem Aufwand und verbessertem Wirkungsgrad. Der als Synchronmotor ausgebildete Elektromotor kann zudem optimal klein ausgelegt werden, d. h. mit einem kleinen Massenträgheitsmoment (moment of inertia).

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der innere Verschiebewinkel ϕ_i, der sich er­ gibt als Winkel zwischen den Vektoren der inneren Spannung e und dem Ständerstrom i_s, kleiner gleich 40°, insbesondere kleiner gleich 35°, eingestellt wird. Insbesondere bei der Einstellung des Verschiebewinkels kleiner gleich 35° ergibt sich ein sicheres Arbeiten des Synchronmotors. Dazu ist auch vorgesehen, daß der innere Spannungsabfall durch entsprechen­ de Bemessung des Motors auf höchstens √2.e festgelegt wird, wobei die inneren Spannungen e und u, bezogen auf den ent­ sprechenden Wert bei der minimalen Drehzahl, um einen Faktor von maximal 1,22 erhöht werden. Diese Maßnahme trägt zur be­ sten Nutzung der Ausrüstung und zum sicheren Arbeiten des Synchronmotors bei.

In analoger Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei der Ausbildung des Antriebsmotors als Asynchronmotor, der Mo­ tor mit einer Spannungsreserve zur Abdeckung der Spannungsab­ fälle bei der höchsten Drehzahl und höchsten Belastung be­ trieben wird, wobei die innere Spannung e oberhalb der mini­ malen Drehzahl mit steigender Drehzahl entsprechend der je­ weils vorhandenen Spannungsreserve erhöht wird. So ergibt sich eine für Asynchronmotoren und deren Umrichter eine opti­ male Ausnutzbarkeit der installierten Leistungen und eine Verbesserung des Wirkungsgrades.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher er­ läutert, aus denen weitere, auch erfindungswesentliche, Ein­ zelheiten ebenso wie aus den Unteransprüchen entnehmbar sind. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 die maximal verfügbare Leistung von Drehstrommotoren bei konstantbleibender Spannung und konstant gehalte­ ner innerer Spannung e,

Fig. 2 Leistungscharakteristik bei einer Regelung entspre­ chend der Erfindung für einen Asynchronmotor,

Fig. 3 Aufwendungen (Expenses) in Abhängigkeit des Verhält­ nisses von maximaler zu minimaler Drehzahl am Bei­ spiel eines Antriebsmotors für ein Kaltwalzwerk,

Fig. 4 Vektordiagramm für den Punkt der höchsten Drehzahl für einen Synchronmotor mit großem Drehzahlregel­ bereich bei einer Regelung entsprechend der Erfin­ dung,

Fig. 5 Leistungscharakteristik bei einer Regelung entspre­ chend der Erfindung für einen Synchronmotor.

Bei Antriebsmotoren für Anwendungen im Walzwerksbereich wird häufig ein Drehzahlregelbereich mit annähernd konstanter Lei­ stungsabgabe benötigt. Z.B. für Antriebsmotoren von Haspeln zum Aufwickeln von gewalztem Band wird beim Anfangs­ durchmesser eine hohe Drehzahl bei einem kleinen Drehmoment, beim Enddurchmesser aber eine niedrige Drehzahl bei einem ho­ hen Drehmoment benötigt. Für konstanten Bandzug bedeutet dies für den gesamten Drehzahlbereich des Wickelvorganges eine an­ nähernd konstante Leistung. Für Haspelanlagen, z. B. in Kalt­ walzwerken kann dieser Drehzahlregelbereich, d. h. das Ver­ hältnis von minimaler Drehzahl zu maximaler Drehzahl bei Be­ trieb, 1 : 5 betragen. Aber auch für Antriebsmotoren von Walz­ gerüsten ist in manchen Fällen ein möglichst großer Bereich annähernd konstanter Leistung wünschenswert, um zur Gestal­ tung der Walzprogramme einen entsprechenden Spielraum zu ha­ ben. Walzdurchgänge mit geringen Reduktionen bzw. schmale Bänder erfordern geringe Drehmomente, erlauben aber hohe Walzgeschwindigkeiten. Umgekehrt können Walzdurchgänge mit hohen Reduktionen bzw. breite Bänder mit hohem Bedarf an Drehmomenten nur mit entsprechend begrenzter Geschwindigkeit gewalzt werden. Für solche Anwendungen kann ein Dreh­ zahlbereich bis 1 : 10 wünschenswert sein (US 4 882 923).

Von der Gleichstrommaschine her ist bekannt, daß ein Bereich konstanter Leistung relativ einfach durch schwächen des Erre­ gerfeldes realisiert werden kann und zwar in der Weise, daß der Fluß Φ des Motors nach Erreichen der Drehzahl für volle Leistung durch Verstellen des Erregerstromes mit weiter stei­ gender Drehzahl so reduziert wird, daß die elektromotorisch erzeugte innere Spannung e der Maschine konstant bleibt:
e = Φ.n.

Bei einer gleichbleibenden inneren Spannung e kann der Motor somit bei gleichem Ankerstrom des Gleichstrommotors auch mit gleich bleibender Spannung betrieben werden und die Leistung, die durch das Produkt aus dem Ankerstrom i und der inneren Spannung e gebildet wird, bleibt konstant: P = i.e.

Bei der Drehstrommaschine kann prinzipiell aus physikalischen Gründen ein Arbeitsbereich konstanter Leistung bei konstant bleibender Klemmenspannung und konstant bleibendem Strom nicht realisiert werden. Es ist zwar möglich, den wirksamen Fluß der Drehstrommaschine durch entsprechende Vorkehrungen in der Regelung der Maschine einzustellen, also auch die in­ nere Spannung e der Drehstrommaschine wie bei der Gleich­ strommaschine über einen bestimmten Drehzahlbereich konstant zu halten und damit die Drehzahl über eine Minimaldrehzahl n_N hinaus zu erhöhen.

Das Problem stellen die induktiven Spannungsabfälle dar. Der Spannungsbedarf der Drehstrommaschine wird außer durch die elektromotorisch erzeugte innere Spannung e vor allem durch die Spannungsabfälle an der Reaktanz x_S der Ständerwicklung der Maschine bestimmt. (Die Spannungsabfälle an den ohm'schen Widerstanden und an der Reaktanz der Läuferwicklung - im Fal­ le einer Asynchronmaschine - spielen im Vergleich eine weni­ ger wichtige Rolle).

Die Reaktanz x_S ergibt sich aus der wirksamen Induktivität L_S der Ständerwicklung und der Frequenz des Motors.

x_S = 2 π f.L_S

Dabei ist f Betriebsfrequenz des Motors. Die Betriebsfrequenz f ändert sich mit der Drehzahl des Motors. Der induktive Spannungsabfall ist abhängig vom Ständerstrom. Er errechnet sich aus i_S.x_S und addiert sich vektoriell zur inneren Span­ nung e der Maschine.

Der Spannungsabfall i_S.x_S ist also außer von der Belastung auch von der Frequenz und damit von der Drehzahl abhängig. Wird nun die Spannung von Motor und speisendem Umrichter so ausgewählt, daß bei einer minimalen Drehzahl und einer ge­ wünschten maximalen kurzzeitigen Leistungsabgabe P_S alle Spannungsabfälle abgedeckt werden, so muß bei steigenden Drehzahlen wegen der steigenden Reaktanz der Ständerstrom entsprechend reduziert werden und es ergibt sich bei konstant bleibender Spannung und konstant geregelt er inneren Spannung e eine verfügbare Kurzzeitleistung P_S gemäß Fig. 1. Die ver­ fügbare Kurzzeitleistung fällt mit der Drehzahl sehr stark ab. Sie kann bei größeren Drehzahlbereichen sogar die bei der minimalen Drehzahl verfügbare Dauerleistung P_(min) unter­ schreiten.

Durch eine Synchronmaschine mit entsprechender Regelung der Phasenlage des Ständerstromes kann ein Leistungsfaktor = 1 erreicht werden. Damit kann die erforderliche Leistung im speisenden Umrichter im Vergleich zu einer Asynchronmaschine reduziert werden. Nachteilig ist jedoch, daß sich für eine bestimmte Umrichterleistung und Betrieb mit Leistungsfak­ tor = 1 auch für die Synchronmaschine ein Leistungsabfall ähnlich Fig. 1 ergibt.

Bei einer geregelten Drehstrommaschine kann der mit der Dreh­ zahl steigende Spannungsbedarf durch entsprechende Spannungs­ vorsorgen im speisenden Frequenz-Umrichter abgedeckt werden. Nachteilig dabei ist aber, daß dabei sehr große Spannungs­ reserven und damit Leistungsreserven im Umrichter und im Mo­ tor erforderlich sind und daß diese bei konstanter Leistungs­ abgabe oberhalb der minimalen Drehzahl sehr schlecht ausge­ nutzt werden. Der Ausnutzungsgrad kann bei Antrieben mit sehr großen Drehzahlregelbereichen auf unter 50% fallen.

Diese schlechte Ausnutzung von Umrichter und Motor, die ein­ hergeht mit höheren Verlustleistungen, führt zu hohen Inve­ stitionskosten und erhöht auch die Betriebskosten. Fig. 3, Be­ zugszeichen 1 veranschaulicht am Beispiel eines herkömmlichen Drehstromasynchronmotors für ein Kaltwalzwerk, wie sich die Aufwendungen in Abhängigkeit des Verhältnisses von maximaler zu minimaler Drehzahl erhöhen.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird vorgeschlagen:

1. für den Asynchronmotor

Es werden Spannungsreserven zur Abdeckung der inneren Span­ nungsabfälle für eine Belastung des Motors mit der Kurzzeit­ last P_S(max) bei der maximalen Drehzahl vorgesehen.

Der Asynchronmotor wird durch entsprechende Festlegungen in der Regelung der Motorspannung und der Regelung der Phasen­ lage des Stromes im Bereich oberhalb der minimalen Drehzahl jedoch nicht mit konstanter innerer Spannung e und konstanter Leistung, sondern so betrieben, daß in dem Drehzahlbereich, in dem die vorgesehen Spannungsreserve nicht zur Abdeckung der induktiven Spannungsabfälle benötigt wird, die innere Spannung e oberhalb der minimalen Drehzahl n_min bei weiterhin vollem magnetischem Fluß entsprechend den vorhandenen Reser­ ven mit steigender Drehzahl weiter erhöht wird, bis auf die innere Spannung e_D, die mit der maximal nutzbaren Umrichter­ spannung bei der Drehzahl n_D, erreicht wird. Es ergibt sich dadurch für einen gleichbleibenden Ständerstrom eine Lei­ stungscharakteristik nicht konstanter Leistung beispielhaft nach Fig. 2. Der Asynchronmotor wird also erfindungsgemäß in einem weiten Drehzahlbereich oberhalb seiner Dauerleistung P_(min) bei minimaler Drehzahl betrieben, und zwar maximal mit der Leistung P_D (bzw. kurzzeitig mit P_SD. Die Leistung P_D re­ sultiert als Bemessungsleistung (design rating) bei der Dreh­ zahl n_D nach diesem Verfahren.

In Fig. 2 zeigt die Linie e den Verlauf der inneren Spannung e bei der Dauerleistung P und die Linie e_S den Verlauf bei der Kurzzeitleistung P_S.

Die Lösung bietet folgende Vorteile:

• a) In einem weiten Drehzahlbereich ergibt sich eine Lei­ stungsreserve, die zur Gestaltung von Walzprogrammen genutzt werden kann. Die Ausnutzungsgrade von Motor und Umrichter und deren Wirkungsgrade werden entschieden verbessert.
• b) Bei Betrieb mit einer Leistungsanforderung unterhalb der verfügbaren Leistung ergibt sich in einem weiten Drehzahlbe­ reich eine Reduzierung des aufgenommenen Stromes in der Rela­ tion benötigte Leistung zur verfügbaren Leistung. Die thermi­ sche Belastung von Drehstrommotor und Umrichter wird redu­ ziert. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, unter Berücksich­ tigung der geforderten Kurzzeitleistung und entsprechend der zu erwartenden Lastspiele und der resultierenden geringen ef­ fektiven Strombelastung einen kleineren Drehstrommotor zu wählen und auch Komponenten des Umrichters zu verkleinern.

2. für den Synchronmotor

Es wird vorgeschlagen, für Anwendungen, die ein großes Ver­ hältnis von minimaler zu maximaler Walzgeschwindigkeit erfor­ dern, vorzugsweise einen Synchronmotor zu verwenden und dabei die Wirklastabgabe durch einen variablen Verschiebewinkel zwischen der inneren Spannung e und dem Ständerstrom i_S zu optimieren. Dazu wird vorgeschlagen, mittels einer Regelung der Phasenlage des Ständerstromes die Phasenlage des Stromes i_S so einzustellen, daß sich ein gleicher Phasenwinkel zwi­ schen dem Ständerstrom i_S und der elektromotorisch erzeugten inneren Spannung e (= innerer Verschiebewinkel ϕ_i) ergibt, wie zwischen dem Ständerstrom i_S und der fiktiven inneren Spannung u. Die innere Spannung u ist definiert als Gegen­ spannung zur Abdeckung der vektoriellen Summe der wirkver­ lustunabhängigen Spannungen, die sich zusammensetzt aus der inneren Spannung e und dem induktiven Spannungsabfall i_S.x_S, d. h. dem Produkt aus Ständerstrom i_s und der Motorreaktanz x_S.

Dabei wird gleichzeitig festgelegt, daß der innere Ver­ schiebewinkel ϕ_i als Verschiebewinkel zwischen i_S und e nicht größer als 35° ist, daß der induktive Spannungsabfall i_S.x_S nicht größer als √2.e ist und daß weiter die elektromoto­ risch erzeugte innere Spannung e und die innere Spannung u oberhalb der minimalen Drehzahl jeweils um einen Faktor F von maximal 1,22 erhöht werden.

Fig. 4 verdeutlicht die Festlegung für den Grenzfall von 35°. Wie das Bild zeigt, wird vorausgesetzt, daß die äußere Klem­ menspannung u_S mindestens so groß gewählt wird, daß auch der ohm'sche Spannungsabfall i_S.r_S abgedeckt wird und daß der Erregerstrom i_e so groß eingestellt wird, daß die ent­ magnetisierende Wirkung der reaktiven Ständerstromkomponente i_SR kompensiert wird und ein benötigter fiktiver Magnetisie­ rungsstrom i_µ resultiert.

Aufgrund der beschriebenen Festlegung kann berechnet werden, wie groß die relative Ständerreaktanz des Motors sein darf.

Beispiel

n_max = 8.n_min (Bereich 1 : 8)
P_S(max) = 2,0.P_(min)
x_S = 0, 088.

Dabei ist n_min die minimale Drehzahl, n_max die maximale Dreh­ zahl, P_(min) die Dauerleistung bei n_min und P_S(max) die gewünschte Kurzzeitleistung bei n_max.

Die verfügbare maximale Wirkleistung nach Fig. 4 ergibt sich aus dem Produkt der aktiven Komponente des Ständerstromes i_SA und der inneren Spannung e. Mit dem maximalen Verschiebe­ winkel ϕ_i von 35° bei gleichzeitiger Erhöhung der inneren Spannungen u und e um den Faktor F = 1,22 steht folgende Lei­ stung zur Verfügung:

P = cosϕ_i.i_S.F.e_(min) = 0,82.i_S.1,22.e = i_S.e_(min)

wobei e_(min) die innere Spannung e bei minimaler Drehzahl ist. Bei der Maximaldrehzahl stehen mit dieser Festlegung also 100% der bei der Minimaldrehzahl verfügbaren Kurzzeitleistung zur Verfügung.

Es wird weiter vorgeschlagen, die vorgesehene Spannungs­ reserve (maximal 22%) zu nutzen, um auch im unteren Drehzahl­ bereich die innere Spannung e oberhalb der minimalen Drehzahl bei weiterhin vollem magnetischem Fluß proportional mit der Drehzahl zu erhöhen bis auf die innere Spannung e_D, die mit der maximal nutzbaren Umrichterspannung bei der Drehzahl n_D erreicht wird. Dadurch erhält man bei gleichbleibendem Stän­ derstrom eine Leistungscharakteristik nicht konstanter Lei­ stungsabgabe beispielhaft nach Fig. 5. Auch bei der Synchron­ maschine resultiert bei der Drehzahl n_D eine Bemessungslei­ stung P_D (design rating) nach diesem Verfahren, die in einem weiten Drehzahlbereich oberhalb der Dauerleistung P_(min) bei der minimalen Drehzahl liegt.

Dem Beispiel nach Fig. 5 liegt zugrunde, daß über einen Regel­ bereich von 1 : 8 kurzzeitig mindestens die 2-fache Dauerlei­ stung zur Verfügung steht.

Die beschriebene Lösung erlaubt, daß die eingesetzte Lei­ stungsreserve entsprechend dem Faktor F kleinstmöglich ge­ wählt wird und bestmöglich genutzt wird.

Fig. 3 (Bezugszeichen 2) zeigt an einem Beispiel den Verlauf der Aufwendungen in Abhängigkeit des Verhältnisses von maxi­ maler Drehzahl zu minimaler Drehzahl für einen Synchronmotor gemäß Erfindung im Vergleich zu dem mit Bezugszeichen 1 be­ zeichneten Verlauf für einen Asynchronmotor nach bekanntem Stand.

Der Verlauf der Aufwendungen in Abhängigkeit des Verhältnis­ ses von maximaler Drehzahl zu minimaler Drehzahl für einen Synchronmotor gemäß Bezugszeichen 2 macht außerdem deutlich, daß die Erfindung für einen Drehzahlbereich von 1 : 2 bis 1 : 5 besonders wirtschaftlich einsetzbar ist.

Claims (23)

1. Walzstraße mit zumindest einem Walzgerüst zum Walzen von Walzgut,

• - wobei das Walzgerüst von zumindest einem Drehstrommotor angetrieben wird, dessen Drehzahl zum Walzen des Walzgutes in Abhängigkeit der Eigenschaften des Walzprozesses mittels eines Reglers zwischen einer minimalen Drehzahl (n_min) und einer maximalen Drehzahl (n_max) einstellbar ist,
• - wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl (n_max) zu minimaler Drehzahl (n_min) zwischen 2,0 und 8,0 liegt,
• - wobei der Drehstrommotor zwischen der minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Leistung verfügbar macht, die von der Dauerleistung des Drehstrommotors bei minimaler Drehzahl abweicht und die insbesondere eine optimale Anpassung der durch den Drehstrommotor verfügbar gemachten Leistung an die Erfordernisse des Walzprozesses, d. h. insbesondere an die Walzguteigenschaften bzw. -abmes­ sungen, erlaubt.

2. Walzstraße nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor eine Leistung verfügbar macht, die größer als die Dauerleistung (P_min) (continuous output) des Drehstrommotors bei der minimalen Drehzahl ist.

3. Walzstraße nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verfügbare Leistung im Bereich zwischen einer minimalen Drehzahl und einer maximalen Drehzahl variabel ist.

4. Walzstraße nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor eine Kurzzeitleistung (P_S) verfügbar macht, die größer als die 1,5-fache Dauerleistung (P) des Drehstrommotors ist.

5. Walzstraße nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor eine Kurzzeitleistung (P_S) verfügbar macht, die größer als die 1,75-fache Dauerleistung (P) (continuous rated output) des Drehstrommotors ist.

6. Walzstraße nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor eine Kurzzeitleistung (P_S) verfügbar macht, die größer als die 2,0- bis 2,5-fache insbesondere größer als die 2,25-fache Dauerleistung (P) (continuous rated output) des Drehstrommotors ist.

7. Walzstraße nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor ein insbesondere überlastbarer Synchronmotor ist.

8. Walzstraße nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor ein insbesondere überlastbarer Asynchronmotor ist.

9. Walzstraße nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor eine Temperaturüberwachung aufweist, wobei bei Überschreiten einer zulässigen Grenztemperatur durch die Temperatur des Drehstrommotors die verfügbar gemachte Leistung des Drehstrommotors entsprechend begrenzt wird.

10. Walzstraße nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor im Bereich zwischen minimaler und maximaler Drehzahl eine Dauerleistung (P_S) oberhalb der Dauerleistung (P_min) bei minimaler Drehzahl und eine Kurzzeitleistung (P_S) oberhalb der Kurzzeitleistung (P_S(min)) bei minimaler Drehzahl verfügbar macht, wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl zu minimaler Drehzahl zwischen 2,0 und 5,0 liegt.

11. Walzstraße nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor im Drehzahlbereich zwischen der minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Dauerleistung (P) verfügbar macht, die größer als die Dauerleistung (P_(min)) (continuous output) des Drehstrommotors bei minimaler Drehzahl (n_min) ist und die größer ist als die Dauerleistung (P_(max)) des Drehstrommotors bei maximaler Drehzahl (n_max), wobei die Dauerleistung bei maximaler Drehzahl größer oder gleich der Dauerleistung bei minimaler Drehzahl ist.

12. Walzstraße nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor im Drehzahlbereich zwischen der minimalen Drehzahl (n_min) und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Kurzzeitleistung (P_S) verfügbar macht, die größer ist als die Kurzzeitleistung (P_S(min)) des Drehstrommotors bei minimaler Drehzahl (n_min), wobei die Kurzzeitleistung (P_S(max)) des Drehstrommotors bei maximaler Drehzahl (n_max) gleich oder kleiner ist als die Kurzzeitleistung bei minimaler Drehzahl.

13. Walzstraße nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung des Antriebsmotors als Asynchronmotor, der Motor mittels eines Umrichters betrieben wird, welcher am Ausgang insbesondere Frequenz, Spannung und Phasenlage der Spannung verändern kann, der Motor mit einer Spannungs-Reserve zur Abdeckung der inneren Spannungsabfälle bei maximaler Drehzahl und maximaler Last betrieben wird, und die innere Spannung (e) oberhalb der minimalen Drehzahl bei vollem magnetischem Fluß mit steigender Drehzahl entsprechend der jeweils vorhandenen Spannungsreserve weiter erhöht wird, bis auf die innere Spannung (e_D), die bei der höchsten ausnutzbaren Spannung des Umrichters bei der Drehzahl (n_D) erreicht wird und die die maximale Dauerleistungsabgabe (P_D) ermöglicht.

14. Walzstraße nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor in der Ausbildung als Synchronmotor mittels eines Erregerstromrichters und mittels eines Umrichters betrieben wird, welcher im Ausgang insbesondere Frequenz, Spannung und Phasenlage die Spannung verändern kann, durch einen variablen Verschiebewinkel (ϕ_i) zwischen der inneren Spannung (e) und dem Ständerstrom (I_s) des Synchronmotors auf die optimale Wirklastabgabe geregelt wird.

15. Walzstraße nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler des Drehstrommotors mittels eines Erregerstromrichters und mittels eines Umrichters, welcher im Ausgang insbesondere Frequenz, Spannung und Phasenlage der Spannung verändern kann, die innere Spannung des Motors so regelt, daß oberhalb der Minimaldrehzahl bei vollem magnetischem Fluß abhängig von der Drehzahl die innere Spannung (e) entsprechend der vorhandenen Spannungsreserve weiter erhöht wird bis auf die innere Spannung (e_S), die bei der höchsten ausnutzbaren Spannung des Umrichters bei der Drehzahl (n_D) erreicht wird und die maximale Dauerleistungs­ abgabe (P_D) ermöglicht.

16. Walzstraße nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Regelung der Phasenlage des Ständerstromes (I_s) des Synchronmotors die Phasenlage des Ständerstromes (I_s) derart eingestellt wird, daß sich ein drehzahl- und lastanforderungsgerechter Phasenwinkel (ϕ_i) zwischen dem Ständerstrom (I_s) und der elektromotorisch erzeugten inneren Spannung (e), d. h. ein innerer Verschiebewinkel bildet, der bis zu einem Maximalwert gesteigert wird.

17. Walzstraße nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Regelung der Phasenlage des Ständerstromes (I_s) des Synchronmotors die Phasenlage des Ständerstromes (I_s) derart eingestellt wird, daß sich bei der Maximaldrehzahl ein gleicher Phasenwinkel zwischen dem Ständerstrom (I_s) und der elektromotorisch erzeugten inneren Spannung (e) wie zwischen dem Ständerstrom (I_s) und einer fiktiven inneren Spannung (u) bildet, wobei die innere Spannung (u) als Gegenspannung zur Abdeckung der vektoriellen Summe der wirkverlustunabhängigen Spannungen, nämlich der inneren Spannung (e) und dem induktiven Spannungsabfall (i_s.s_x), gebildet wird.

18. Walzstraße nach Anspruch 14, 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Verschiebewinkel (ϕ_i) bei der Maximaldrehzahl auf einen Wert kleiner gleich 40°, insbesondere kleiner gleich 35°, begrenzt wird.

19. Walzstraße nach Anspruch 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Bemessung des Drehstrommotors der innere Spannungsabfall (i_S.X_S) bei der maximalen Drehzahl auf √2.e begrenzt wird, und daß die innere Spannung (e) und die innere Spannung (u) oberhalb der minimalen Drehzahl jeweils um einen Faktor F von maximal 1,22 erhöht werden, wobei x_s die Reaktanz und i_S der Ständerstrom des Drehstrommotors ist.

20. Walzstraße, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Walzgerüsten zum Walzen von Walzgut,

• - wobei die Walzgerüste von zumindest je einem Drehstrom­ motor (AC drive) angetrieben werden dessen Drehzahl zum Walzen des Walzgutes in Abhängigkeit der Erfordernisse des Walzprozesses mittels eines Reglers zwischen einer minimalen Drehzahl und einer maximalen Drehzahl (n_max) einstellbar ist,
• - wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl n_max zu minimaler Drehzahl u_min zwischen 2,0 und 8,0 liegt,
• - wobei die Drehstrommotoren einer Auswahl von Walzgerüsten zwischen der minimalen Drehzahl (n_min) und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Leistung verfügbar machen, die von der Dauerleistung (P_(min)) des Drehstrommotors bei der minimalen Drehzahl abweicht und die insbesondere eine optimale Anpassung der durch den Drehstrommotor verfügbar gemachten Leistung an die die jeweiligen Erfordernisse des Walzprozesses, d. h. insbesondere an die Walzguteigenschaften bzw. -abmessungen, erlaubt.

21. Walzstraße; insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Walzgerüsten zum Walzen von Walzgut,

• - wobei die Walzgerüste von zumindest je einem Drehstrommotor (AC drive) angetrieben werden dessen Drehzahl zum Walzen des Walzgutes in Abhängigkeit der Erfordernisse des Walzprozesses mittels eines Reglers zwischen einer minimalen Drehzahl (n_min) und einer maximalen Drehzahl (n_max) einstellbar ist,
• - wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl (n_max) zu minimaler Drehzahl (n_min) zwischen 2,0 und 8,0 liegt,
• - wobei die Drehstrommotoren der letzten Walzgerüste der Walzstraße zwischen der minimalen Drehzahl (n_min) und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Leistung verfügbar machen, die von der Dauerleistung (P_(min)) (continuous rated output) des Drehstrommotors bei minimaler Drehzahl abweicht und die insbesondere eine optimale Anpassung der durch den Drehstrommotor verfügbar gemachten Leistung an die die jeweiligen Erfordernisse des Walzprozesses, d. h. insbesondere an die Walzguteigenschaften bzw. -abmessun­ gen, erlaubt.

22. Walzstraße, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Walzgerüsten zum Walzen von Walzgut,

• - wobei die Walzgerüste von zumindest je einem Drehstrommotor (AC drive) angetrieben werden dessen Drehzahl zum Walzen des Walzgutes in Abhängigkeit der Erfordernisse des Walzprozesses mittels eines Reglers zwischen einer minimalen Drehzahl (n_min) und einer maximalen Drehzahl (n_max) einstellbar ist,
• - wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl (n_max) zu minimaler Drehzahl (n_min) zwischen 2,0 und 8,0 liegt,
• - wobei die Drehstrommotoren aller Walzgerüste zwischen der minimalen Drehzahl (n_min) und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Leistung verfügbar machen, die von der Dauerleistung (P_(min)) (continuous rated output) des Drehstrommotors bei minimaler Drehzahl abweicht und die insbesondere eine optimale Anpassung der durch den Drehstrommotor verfügbar gemachten Leistung an die die jeweiligen Erfordernisse des Walzprozesses, d. h. insbesondere an die Walzguteigen­ schaften bzw. -abmessungen, erlaubt.

23. Walzstraße, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest einem Walzgerüst zum Walzen von Walzgut,

• - wobei das Walzgerüst von zumindest einem Drehstrommotor (AC drive) angetrieben wird, dessen Drehzahl zum Walzen des Walzgutes in Abhängigkeit der Eigenschaften des Walzprozesses mittels eines Reglers zwischen einer minimalen Drehzahl (n_min) und einer maximalen Drehzahl (n_max) einstellbar ist,
• - wobei das Verhältnis von maximaler Drehzahl (n_max) zu minimaler Drehzahl (n_min) zwischen 2,0 und 8,0 liegt,
• - wobei der Drehstrommotor zwischen der minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl (n_max) eine Leistung verfügbar macht, die von der Nennleistung (continuous rated output) des Drehstrommotors abweicht und die insbesondere eine optimale Anpassung der durch den Drehstrommotor verfügbar gemachten Leistung an die Erfordernisse des Walzprozesses, d. h. insbesondere an die Walzguteigenschaften bzw. -abmessungen, erlaubt.