DE2811292B2

DE2811292B2 - Verfahren und Anordnung zur Speisung und Steuerung des relativen Gleichlaufes von Arbeitswellen eines elektrischen Mehrmotorenantriebes

Info

Publication number: DE2811292B2
Application number: DE2811292A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Ing.(Grad.) 8524 Neunkirchen Krampe; Herbert 7418 Dettingen Schleicher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-15
Filing date: 1978-03-15
Publication date: 1980-03-20
Also published as: IT7920862A0; US4353015A; JPS5849119B2; DE2811292A1; JPS54127518A; IT1110546B; BE874797A; CH637792A5; DE2811292C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speisung und Steuerung des relativen Gleichlaufes von Arbeitswellen eines elektrischen Mchrmotorenantriebes, bei dem die einzelnen Wellen mit Synchronmotoren gekuppelt sind, die einerseits an einen statischen Betriebsumrichter, dessen Ausgangsspannung in Frequenz- und Phasenlage von der Steuerfrequenz eines ersten Frequenzgebers abhängig ist, und andererseits an einen statischen Hilfsumrichter, dessen Ausgangsspannung in Frequenz- und Phasenlage von der Steuerfrequenz eines zweiten Frequenzgebers abhängig ist, anschließbar sind, wobei bei Umschaltung eines Synchronmotors von einem auf den anderen Umrichter Frequenz- und Phasengleichheit besteht.

Die Erfindung bezieht sich ferner auch auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bii verschiedenen Produktionsmaschinen sind mit Rücksicht auf den Waren- oder Materialfluß, z. B. Flaschenherstellung bei einer Hohlglasmaschine, zwischen den verschiedenen Arbeitsebenen, z. B. Tropfenvertciler, Steuertrommel usw., unterschiedliche Geschwindigkeiten zu fahren.

Für die Antriebe der verschiedenen Geschwindigkeitsebenen muß die Bedingung des Gleichlaufes gesichert sein. Außerdem muß die Möglichkeit bestehen, einzelne Antriebe in der mechanischen Phasenlage nachzukorrigieren, d. h. durch Vorlauf oder Verzögerung um Winkelwege die entsprechende Arbeitswelle neu zu positionieren, um damit den Waren- oder Materialfluß optimieren zu können.

Ausgehend von einer dezentralisierten Antriebslö-

Ni sung - d.h. für jede Arbeiiscbcne wird ein separater Synchronmotor verwendet — und der Speisung der Motoren durch einen zentralen Betriebsumrichtcr wird die Bedingung des Gleichlaufes erfüllt.

Bei einer derartigen Anlriebslösung ist es auch

π bekannt, einen Hilfsumrichter vorzusehen, mit dem Gruppen von .Synchronmotoren oder auch Einzelmotoren hochgefahren, synchronisiert und an den Betriebsumrichter geschaltet werden können (vgl. z. B. Wissenschaftlicher Bericht AEG-Telefunken 49, 1976. 4/5,

.(ι Seiten 139-150).

Um die Phasenwinkellage der verschiedenen Arbeitswellen technologisch aufeinander einzurichten, hat man bisher ein mechanisches Planetengetriebe (Differential) benutzt. Jedem Antrieb wurde ein solches Getriebe

Vi nachgeschaltet. Mittels eines Handrades konnte dann der entsprechende Winkelweg manuell eingestellt und die Bedingung »Phasenwinkelcinslcllung« erfüllt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht

hn darin, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Phasenwinkellagen der Arbeitswellen auf einfache Weise ohne mechanischen Aufwand eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

h-i daß der als Phasenschieberumrichter arbeitende Hilfsumrichter zunächst an den ersten Frequenzgeber angeschlossen wird und mit gleicher Spannungsamplitude wie der Betriebsumrichter arbeitet, daß anschließend

der in seiner Phasenwinkellage zu verändernde Synchronmotor ohne Phasenwinkelfehler auf den Phasenschieberumrichter geschaltet wird, daß danach die Frequenz des Phasenschieberumrichters im Sinne der gewünschten Änderung der Phasenwinkellage nach Umschaltung auf den zweiten Frequenzgeber vorübergehend verändert wird, daß dann beim Erreichen der gewünschten Winkellage der Phasenschieberumrichter wieder an den ersten Frequenzgeber angeschlossen wird, wenn die über eine Phasenschiebereinrichtung erfaßten Phasenlagen der Ausgangsspannungen der Umrichter übereinstimmen und daß der Synchronmotor letztlich auf den Betriebsumrichter zurückgeschaltet wird.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil des Betriebsumrichters über einen Frequenzteiler mit dem ersten Frequenzgeber verbunden ist und das Steuerteil des Phasenschieberumrichters über einen Frequenzteiler und über eine von der Phasenschiebereinrichtung gesteuerte Weiche wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten, in der Frequenz steuerbaren Frequtnzgeber verbunden ist.

Durch den Einsatz von zwei statischen Umrichi.ern, und zwar in der Kombination Betriebs-Phasenschieberumrichter kann das mechanische Differential entfallen und können die einzelnen Motoren auf elektrischem Wege in die jeweils optimale Phasenlage eingefahren werden. Die hierbei erreichbare kleinste Winkelauflösung und Winkeltoleranz an der Arbeitswelle sind dabei im Normalfall völlig ausreichend, sie werden u. a. durch die Polpaarzahl des Motors und durch das Übersetzungsverhältnis des nachgeschaltclen Festgetriebes beeinflußt. So ist z. B. bei einem seehspoligcn Synchronmotor und einer Getriebeübersetzung von I : 200 eine minimale Winkeländerung von 0,6 Grad an der Arbeitswelle einstellbar.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs.jeispiels sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I den Leistungsteil des Mehrmotorenjntricbes,

Fig. 2 die steuerseitigc Verküpfung der beiden Umrichter für den Phascnschicbervorgang und F i g. 3 den Aufbau der Phasenschicbcreinrichtung.

F i g. I zeigt die ieistungsseitigc Verknüpfung zwischen Betriebsumrichlcr I, Phasenschieberumrichter 2 und Synchronmotoren 6 und 7. Die Umrichter sind in an sich bekannter Weise als statische Umrichter aus Thyristoren aufgebaut, haben gleiche Amplituden der Ausgangsspannung, jedoch in der Regel unterschiedliche Leistungen.

Es sind zwei frequenzvariable Vcrsorgungsschiencn 13 und 23 vorgesehen, die jeweils von den Umrichtern 1 und 2 gespeist werden. An die Schiene 13 sind über Schalter 71 alle Synchronmotoren 7 angeschlossen, deren Phasenlage zueinander /.war starr, aber im Winkelbetrag beliebig sein kann. Eine Phasenwinkelkorrektur kanri hier entfallen.

Die von der/ Motoren 6 angetriebenen, nichtgezcigten Arbeitswellen müssen dagegen in ihrer Phasenlage zueinander - je nach technologischer Situation verändert werden und anschließend starr verzahnt weiterlaufen. Diese Motoren sind über Schalter 14, 24 (Schütze) wahlweise an die Versorgungsschienen 13 oder 23 anschließbar. ,

Beim Start der Anlage ,hernimmt der leistungsstarke Betriebsumrichter 1 das Hochsehleppen aller Motoren 6, 7 auf Betriebsfrequenz. Anschließend wird jeder

ι >

Motor 6 über den Phasenschieberumrichter 2 in der Phasenlage korrigiert und später auf den Umrichter 1 zurückgeschaltet. Die Übergaben müssen dabei möglichst stoßfrei vorgenommen werden.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Anordnung ist der über ein Getriebe 8, von z. B. einem Übersetzungsverhältnis U= 1 :200, eine nachgeschaltete Steuertrommel treibende Synchronmotor 6 wahlweise über die Schalter 14 und 24 an den Betriebsumrichter 1 oder den Phasenumrichter 2 anschließbar. Die Steuerung der Schalter 14 und 24 wird dabei durch eine Verriegelungssteuerung 52 vorgenommen.

Die an einem Potentiometer 31 abgreifbare Spannung wird in einem Spannungsfrequenzwandler 32 in eine Pulsfrequenz 1 umgesetzt. Die Pulse des aus Potentiometer 31 und Spannungsfrequenzwandler 32 bestehenden Frequenzgebers 3 werden über einen Frequenzteiler 11 mit z.B. dem Teilverhältnis 20:1, einem Ringverteiler 12 zugeführt. Düser Ringverteiler 12 bildet einen wesentlichen Teil der Sreueriogik des Umrichters 1, und zwar steuert dieser Ringverteiler die Abgabe der Zündbefehle an die Thyristoren. Er bestimmt damit Frequenz und Phasenlage der Ausgangsspinnungdes Betriebsumrichters 1.

An den gleichen Frequenzgeber 3 mit der Frequenz f\ ist über eine elektronische Weiche 51 und einen Frequenzteiler 21, ebenfalls mit einem Teilungsverhältnis von 20 : 1, auch der Ringverteiler 22 des Phasenschieberumrichlcrs 2 anschließbar. Durch Umschalten der Weiche 51 ist der Ringverteiler 22 mit einem zweiten Frequenzgeber 4 verbindbar. Dieser Frequenzgeber 4 besteht aus einem Spannungsfrequenzwandler 42, der über Leitung 41 seine Spannung ebenfalls vom Potentiometer 31 erhält. Damit liefert der Frequenzgeber 4 in etwa die gleiche Steuerfrequenz wie der Frequenzgeber 3. Die Umschaltung der Weiche 51, die Steuerung der Verriegelungseinrichtung Z2 ur.d ein frequenzsteuernder Eingriff in den Frequenzgeber 4 werden von einer Phasenschiebeeinrichtung 5 bewirkt, die Ldn Stand der Ringverteiler 12,22 abfragt.

Anhand von F i g. 2 sei die Funktion der Phasenschiebung hinsichtlich eines Einzelmotors 6 näher erläutert: Betriebsumrichter 1 und Phasenschieberumrichter 2 werden an das Drehstromnetz geschaltet und läufer, mit der durch den Frequenzgeber 3 bedingten Betriebsfrequenz f\. Da beide Umrichter über die gleiche Leitfrequenz gespeist werden, herrscht Frequenzgleichheit.

Über den laufenden Phasenvergleich der Ringverteiler 12 und 22 ist auch sichergestellt, daß beide Umrichter in der Phasenlage an ihren Ausgangsklemmen übereinstimmen: d.h. es herrscht auch Phasengleichheit. Die Verriegelungseinrichtung 52 gibt die Schalter 14 und 24 nur frei, wenn durch die Phascnschiebereii.richtung 5 laufend die Phasengleichheit gemeldet wird. Nach dem Einschalten der Umrichter wird anschließend der Synchronmotor 6 direkt über des Schalter 14 auf den Betriebsumrichter - geschaltet. Der Betriebsumrichter läuft dabei ir.it der Frequenz f\ und synchronisiert den Motor 6 auf sein Netz. Es soll nun der Motor 6 und damit die mit ihm gekuppelte Arbeitswelle in de. Phasenlage verändert werden. Hierzu wird der Motor 6 vom Betriebsumrichter 1 auf den Phasenschieberumrichter 2 übergehen, d. h. der Schalter 14 wird geöffnet und der Schalter 24 geschlossen. Wegen Frequenz- und Phasengleichheit wird die Übergabe stoßfrei ohne Winkelfehler vorgenommen. Die Steuerung wird sofurt verriegelt, wenn die Bedingung der Frequenz- und

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Phasengleichheit nicht eingehalten ist.

Beim Betätigen eines der Druckknöpfe 53 für + Af oder -Af wird der Phasenschieberumrichter 2 vom Frequenzgeber 3 getrennt und über die Frequenzweiche 51 auf den Frequenzgeber 4 mit der Frequenz fl geschaltet. Mit der Umschaltung wird ein Zusaizsollwert +d/Oder -Af auf den Spannungsfrequenzwand ler 42 gegeben; d. h. der Synchronmotor 6 wird beschleunigt oder verzögert. Der bei der Umschaltung von Frequenzgeber 3 auf Frequenzgeber 4 auftretende maximale Winkelfehler hat keine Auswirkung auf den Leistungsteil, da das umzuschaltende Frequenzsignal viel höherfreqiienter als die eigentliche Stcuerfrcquenz der Ringverteiler ist, und zwar entsprechend dem Teilungsverhältnis der Frequenzteiler II, 21. Bei der Umschaltung ist aus diesem Grund im ungünstigsten

Fall daher nur ein Fehler von -==r = 3 Grad elektrisch

möglich. Hat die mit dem Synchronmotor 6 gekuppelte Arbeitswelle die entsprechende VVinkelposilion erreicht, wird der über die Druekknöpfe 53 gegebene Befehl ±<4/'aufgehoben. Jetzt läuft der Frequenzgeber 4 in etwa wieder mil der Frequenz des Frequenzgebers 3 zuzüglich einer definierten Driftfrequenz. Die Phasenschiebeeinrichtung 5 fragt die Phascnlagen von <·/· >ind <p der Ringverteiler 12 und 22 ab und schallet bei Übereinstimmung die Frequenzweiche 51 innerhalb einer Frequenzperiode vom Frequcnzgeber 4 auf den Frequenzgeber 3 um. Damit ist auf elektrischem Wege wieder der absolute Gleichlauf hergestellt.

Um eventuellen Fehlimpulsen im Frequenzkanal ties Phasenschieberumrichters und des Betriebsumrichters vorzubeugen, werden beide Ringvertcilcr 12 und 22 periodisch auf Phasenglcichheit abgefragt. Diese automatische Abfrage ist besonders dann von Bedeutung, wenn der leerlaufende Phasenschieberumrichter über längere Zeit. z. B. mehrere Tage, nicht brnutzt worden ist. Ist die Phasengleichhcit gestört, so erzwingt die Synchronisierung 5 eine Umschaltung der Frequenzweiche 51 vom Frequenzgeber 3 auf den Frequenzgeber 4. Der leerlaufende Phasenschieberumrichter 2 wird dann über den Frequenzgeber 4 selbsttätig solange in der Phasenlage verschoben, bis Gleichlauf zwischen den Ringverteilern 12 und 22 feststellbar ist. Diese Gleichlaufvoraussetzung zieht dann sofort die Umschaltung der Frequenzweiche 51 vom Frequenzgeber 4 auf den Frequenzgeber 3 nach sich.

Eine Nichtübereinstimmung der Phasenlagen führt in jedem Fall zur sofortigen Sperre einer Betätigung der Schalter 14 bzw. 24.

Anhand von Fig. 3 sei der Aufbau der Phasenschie- beeinrichtung näher erläutert.

Wie ersichtlich, liegen die von den Ringverteilcrn 12 und 22 kommenden Rechteckinipulse an einem Koinzidenzglied 56. Am Ausgang dieses Koinz.idenzgliedes steht ein Ausgangsimpuls an, solange sich die jeweiligen Rechteckimpulse überlappen, d. h. solange Phasengleichheit besteht. Der Ausgangsimpuls des Koinzidenzgliedes 56 wird mit einer monostabilcn Kippstufe 57 auf z. B. I m<,ec verlängert und jeweils auf den Finganp einer Kippstufe 58 gegeben. Dadurch liegt am Ausgang der Kippstufe 58 ein Ausgangssignal vor. das über Verstärker 59 die Verriegelungseinrichtung 52 freigibt. Gleichzeitig steuert das Ausgangssignal die Frequenzweiche 51 so aus. daß beide Umriclr· " vom gleichen Frequcnzgeber ? ausgesteuert werden. Gleichzeitig wird durch das Ausgangssignal ein Kondensator C in der automatischen Phasenüberwachung 55 aufgeladen. Der Kondensator ("wird periodisch durch das Ausgangssignal der Kippstufe 57 entladen, so daß seine Spannung einen bcs:immten Wert nicht überschreiten kann. Wird der Synchronlauf der Umrichter gestört, st« steigt die Spannung am Kondensator C und bringt einen Grenzwertmelder G in der Phasenüberwachung 55 zum Ansprechen. Diese schaltet über die Korrekturstufe 50 die Kippstufe 58. Hierdurch wird die freigäbe für die Verriegelungseinrichtung 52 aufgehoben lino die Weiche 51 umgeschaltet, so daß jeder Umrichter wieder mit seinem eigenen Frequenzgeber 3 bzw. 4 betrieben wird. Durch die definierte Drift der beiden Frequenzen zueinander kommt es erneut zu einer Überlappung und die Schaltung fällt in die Ausgangslage zurück.

Bei der Korrekturwerteingabe +Af mittels der Tasten 53 in die Korrekturstufe 50 wird die Kippstufe 58 zurückgesetzt und die Frequenzweiche 51 so geschaltet, daß beide Umrichter 1, 2 mit eigenem Frequenzgeber 3 bzw. 4 betrieben werden. Gleichzeitig wird eine dem Korrekturwert ±J/'entsprechendc Korrekturspannung auf den Spannungsfrcquenzwandler 42 des Frequenzgebers 4 gegeben Damit wird die Frequenz des Phascnschicberiimrichters 2 erhöht oder vermindert, während die Frequenz des Betriebsumrichters I unverändert bleibt. Reim Loslassen des Tasters wird die Korrekturspannung weggenommen und die Kippstufe 58 nach festgestellter Phascngleichheit am Koinzidenzglied 56 zurückgesetzt. Hierdurch wird die Weiche 51 wieder umgeschaltet, so daß der Phasenschieberumrichter 2 am Frequenzgeber 3 liegt. Wird nach Loslassen des Tasters 53 die Synchronisation nicht innerhalb von 7. B. 4 see erreicht, so wird eine Zwangsverstimmung 54 eingeschaltet, die über die Korrekturstufe 50 solange einen Korrekturwert auf den Frequenzgeber 4 gibt, bis Phasengleichheit herrscht.

Hierzu 1 Bhiti Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I, Verfahren zur Speisung und Steuerung des relativen Gleichlaufes von Arbeitswellen eines -, elektrischen Mehrmotorenantriebes, bei dem die einzelnen Wellen mit Synchronmotoren gekuppelt sind, die einerseits an einen statischen Betriebsumrichter, dessen Ausgangsspannung in Frequenz- und Phasenlage von der Steuerfrequenz eines ersten in Frequenzgebers abhängig ist, und andererseits an einen statischen Hilfsumrichter, dessen Ausgangsspannung in Frequenz- und Phasenlage von der Steuerfrequenz eines zweiten Frequenzgebers abhängig ist, anschließbar sind, wobei bei Umschaltung ι; eines Synchronmotors von einem auf den anderen Umrichter Frequenz- und Phasenlagengleichheit besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der als Phasens-'hieberumrichter (2) arbeitende Hilfsumrichter zunächst an den ersten Frequenzgeber (3) ;.u angeschlossen wird und mit gleicher Spannungsamplitude wie der Betriebsumrichter arbeitet, daß anschließend der in seiner Phasenwinkellage zu verändernde Synchronmotor (6) ohne Phasenwinkelfehler auf den Phasenschieberumrichter geschal- _>-, tet wird, daß danach die Frequenz des Phasenschieberumrichters im Sinne der gewünschten Änderung der Phasenwinkellage nach Umschaltung auf den zweiten Frequenzgeber (4) vorübergehend verändert wird, di3 dann, beim Erreichen der gewünsch- m ten Winkellage der Phasenschieberumrichter (2) wieder an den ersten Frequetizgeber (3) angeschlossen wird, wenn die über eir,e Phnsenschiebereinrichtung (5) erfaßten Phasenlagen der Ausgangsspannungen der Umrichter (1, 2) übereinstimmen und daß der Synchronmotor (6) letztlich auf den Betriebsumschalter (1) zurückgeschaltet wird,
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übereinstimmen der Frequenzen (Π, /"2) - aber unterschiedlicher Phasenlagen selbsttätig eine Verstimmung des zweiten Frequenzgebers (4) bis zur Phasengleichheit vorgenommen wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerteil (12) des Betriebsumrichters (1) über einen Frequenzteiler (11) mit dem ersten Frequenzgeber (3) verbunden ist und das Steuerteil (22) des Phasenschieberumrichters (2) über einen Frequenzteiler (21) und über eine von der Phasenschiebereinrichtung (5) gesteuerte Weiche (51) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten, in der Frequenz steuerbaren Frequenzgeber (4) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebeeinrichtung (5) die Steuerteile (12, 22) abfragt, die Frequenz- und Phasenlage der Ausgangsspannungen der Umrichter bestimmen.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Phasenwinkeldifferenz in den Steuerteilen eine Umschaltung der Motoren (6) über eine Verriegelungsanordnung(52) gesperrt ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Nichtübereinstimmen der Phasenlagen die Weiche (51) selbsttätig vom ersten auf den zweiten Frequenzgeber (4) umschaltet, eine Phasenlagenkorrektur durchführt und erst beim Übereinstimmen der Phasenlagen zurückschaltet.