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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes
des Anspruches 1 sowie eine zugehörige Einrichtung zum Durchführen dieses
Verfahrens.
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Bei
der Weiterentwicklung von Offenend-Rotorspinnmaschinen kommt es
neben einer Qualitätsverbesserung
der erzeugten Garne vor allem auch darauf an, die Produktionsleistung
zu erhöhen.
Eine Schlüsselposition
bezüglich
der Produktionsleistungserhöhung
nimmt dabei die Drehzahl des Spinnrotors ein. Aus diesem Grunde
wurden verschiedenste Antriebs- und Lagervarianten für Spinnrotoren
entwickelt, um Drehzahlen von deutlich über 100.000 U/min zu erreichen.
Die Verminderung des Rotordurchmessers und seiner Masse sowie der
Reibungsverluste gestattet nicht nur eine höhere Drehzahl, sondern auch
eine reduzierte Energieaufnahme beim Antrieb.
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Als
besonders vorteilhaft in dieser Hinsicht können schaftlose Spinnrotoren
eingestuft werden, die als Läufer
eines Axialfeldmotors ausgebildet sind. Ein hierbei verwendetes
kombiniertes Magnet-Gaslager sorgt für relativ geringe Reibungsverluste.
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Um
die Leistungsaufnahme derartiger Motoren weiter zu verringern wurde
in der
EP 0 466 672 A1 vorgeschlagen,
eine Optimierungsfunktion für
den Rotorantrieb zu nutzen. In Abhängigkeit von der Überwachung
des Rotordrehwinkels werden nach dieser Optimierungsfunktion die
Kommutationspunkte der Statorwicklungen verschoben. Dadurch wird erreicht,
daß speziell
bezogen auf Störungen
oder Unsymmetrien die gewünschte
Drehzahl bei möglichst
geringer Leistungsaufnahme eingehalten wird. Treten jedoch dabei
größere Störungen,
hervorgerufen durch Überspeisungen
des Rotors, Verschmutzungen der Lagerflächen oder Verstopfungen von Luftaustrittsöffnungen
des Magnetgaslagers, auf, kann es hierbei zu erheblicher Wärmeentwicklung kommen,
die am Motor gravierende Schäden
hervorrufen können.
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Durch
die
DE 36 35 863 A1 ist
außerdem eine
Schaltungsanordnung zur Überwachung
eines Motorparameters bekannt, der für das von einem Motor abgegebene
Drehmoment charakteristisch ist.
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Die
bekannte Schaltungsanordnung enthält eine den Motorparameter überwachende
Messeinrichtung, die ein entsprechendes Messsignal abgibt.
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Ferner
ist eine Vergleichsschaltung vorgesehen, in der das Messsignal mit
einem Sollwertsignal verglichen wird.
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Am
Ausgang der Vergleichsschaltung entsteht ein Stellsignal, das der
Relation zwischen dem Messwert- und dem Sollwertsignal entspricht.
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Damit
das Stellsignal nicht verfälscht
wird, wenn sich die mechanischen Verluste in der von dem Motor angetriebenen
Einrichtung ändern,
ist außerdem
eine Speicherschaltung vorgesehen, die zumindest zeitweise ein dem
Motorparameter entsprechendes Signal speichert, das bei einem vorbestimmten
Lastzustand des Motors auftritt.
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Des
Weiteren ist eine Überlagerungsschaltung
vorhanden, die das Signal der Speicherschaltung sowie entweder das
Messwertsignal oder das Sollwertsignal erhält.
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Die
bekannte Schaltungsanordnung ist insgesamt recht aufwendig und kompliziert.
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In
der
DE 29 50 063 A1 ist
des Weiteren eine Überwachungsschaltung
zum Erfassen von Betriebsstörungen
an Textilmaschinen beschrieben.
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Bei
dieser bekannten Einrichtung erfolgt eine Überwachung der Phasenverschiebung
zwischen der Phasenlage eines Einzelantriebes und eines Bezugssignals,
welches aus dem Gesamtstrom zumindest einer Mehrzahl von Elektromotoren
von Einzelantrieben abgeleitet wird.
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Die
Einrichtung gemäß
DE 29 50 063 A1 ist damit
zwar in der Lage, Störungen
während
des normalen Spinnbetriebes zu überwachen
und entsprechende Maßnahmen
daraus abzuleiten, die Einrichtung ist aber nicht in der Lage, zwischen
Störungen und
Betriebszuständen,
die eine erhöhte
Energiezufuhr erfordern, zu unterscheiden.
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Das
heißt,
mit der bekannten Einrichtung würde
jeder Hochlauf eines einzelnen Spinnrotors, bei dem die Energiezufuhr
ein Mehrfaches der Energiezufuhr während des normalen Betriebes
beträgt, als
Störung
gedeutet und der Antrieb sofort abgeschaltet.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine bekannte Offenend-Rotorspinneinheit
sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben so weiterzuentwickeln,
daß deren
Betriebssicherheit erhöht
wird.
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Diese
Aufgabe wird verfahrensseitig durch den Anspruch 1 und vorrichtungsseitig
durch den Anspruch 18 gelöst.
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Die Überwachung
der dem Antrieb zugeführten
elektrischen Energie, die abhängig
ist vom jeweiligen Betriebszustand des Rotors und der von ihm verbrauchten
mechanischen Energie, ist durch Verwendung entsprechender Meßgeräte problemlos durchführbar. Dabei
ist davon auszugehen, daß der Energiefluß durch
Auswertung einer diesen repräsentierenden
Größe bestimmt
werden kann beziehungsweise zumindest ausreichend stark mit diesem korreliert.
Bei dieser Größe kann
es sich beispielsweise um die Stromaufnahme des elektrischen Antriebes
des Spinnrotors handeln, die im Falle einer konstanten Spannung
der Energieaufnahme direkt proportional ist.
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Die
Sollwert-Verläufe
für die
Energiezufuhr beziehungsweise eine diese repräsentierenden Größe sind
bekannt beziehungsweise lassen sich über eine bestimmte Betriebszeit
ohne weiteres ermitteln. Dabei ist davon auszugehen, daß im Normalbetrieb bei
konstanter Rotordrehzahl auch dieser Sollwert konstant ist, solange
keine Störungen
auftreten. Während
der Hochlaufphase des Spinnrotors ist die Energieaufnahme um ein
Mehrfaches größer als
im Normalbetrieb. In dieser Phase ändern sich jedoch auch die
Sollwerte ständig,
das heißt,
der Sollwertverlauf weicht deutlich von einer linearen Funktion ab.
Jedoch gerade auch in dieser Betriebsphase des Spinnrotors ist eine Überwachung
der Abweichung der Energiezufuhr vom Sollwert-Verlauf besonders wichtig
und wirkungsvoll. Aufgrund des gegenüber dem Normalbetrieb um ein
Mehrfaches höheren Stromflusses
ergibt sich auch eine deutlich größere magnetische Anziehung
zwischen Spinnrotor und Stator. Dies wiederum führt dazu, daß sich in
dieser Betriebsphase der Lagerspalt verkleinert. Störungen im
Lagerbereich, insbesondere Verschmutzungen, wirken sich deshalb
besonders stark aus, das heißt, sie
werden besser erkannt als im Normalbetrieb. Wird in dieser Startphase
des Spinnrotors bereits der Antrieb abgeschaltet, können besonders
effektiv Schäden
am Antrieb vermieden werden. Auch kann im Falle einer erhöhten Energieaufnahme
aufgrund einer Überspeisung
des Spinnrotors sehr schnell ein neuer Anspinnstart erfolgen.
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Die
Erkennung einer Störung
auf Basis der Überwachung
der Energiezufuhr ist sehr sensibel, da sich andere Betriebsparameter
des Antriebes, wie zum Beispiel die Rotordrehzahl nicht so signifikant aufgrund
einer Störung ändern und
deshalb weniger geeignet für
das Erkennen einer Störung
sind. Dies ist insbesondere dadurch noch verstärkt, daß der Regelmechanismus des
Antriebs Drehzahländerungen entgegenwirkt
und ein Außertrittfallen
des Motors erst dann zustandekommt, wenn die Regelung die aufgrund
der Störung erforderliche
deutlich erhöhte mechanische
Energie nicht mehr aufbringen kann.
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Unabhängig davon
ist es jedoch auch möglich,
die für
die Regelung ohnehin erforderliche Drehwinkel- beziehungsweise Drehzahlüberwachung
des Spinnrotors für
die Auswertung des Rotorlaufes zusätzlich einzusetzen.
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Die
Erfindung ist durch Merkmale der Ansprüche 2 bis 18 und 20 bis 28
vorteilhaft weitergebildet.
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Im
Grunde kann für
den Normalbetrieb bei Betriebsdrehzahl des Spinnrotors zwischen
zwei Grundtypen von Störungen
unterschieden werden. Ein Grundtyp ist die kurzzeitige Überschreitung
eines Maximalwertes einer die Energiezufuhr repräsentierenden Größe, der
vernünftigerweise
bei einem Mehrfachen des Sollwertes angesetzt werden sollte. Ein
so hoher Maximalwert ist deshalb sinnvoll, da die Energieaufnahme
auch kurzzeitigen Schwankungen unterliegen kann, die noch nicht
auf eine Störung
hindeuten müssen.
Erst wenn diese Schwankungen einen derartigen Maximalwert überschreiten,
ist eine Störung
zu erwarten, die eine Außerbetriebnahme des
Motors erfordert.
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Ein
zweiter Grundtyp ist eine länger
anhaltende höhere
Energiezufuhr. In diesem Falle ist ein Grenzwert, der zum Abschalten
des Antriebes führen soll,
niedriger anzusetzen, da es sich bei dieser Überschreitung nicht mehr um
eine übliche
Schwankung, sondern nur noch um eine signifikante Störung handeln
kann. Für
diese Störung
wird ein Beobachtungszeitraum, eine Zeitspanne T festgelegt. Die
Produkte aus den jeweiligen Momentanwerten einer die Energiezufuhr
repräsentierenden
Größe und eines
Bruchteiles delta t dieser Zeitspanne T werden addiert, so daß sich als
Ergebnis eine Fläche
unter einer Kurve ergibt, die dem zeitlichen Verlauf der die Energiezufuhr
repräsentierenden
Größe innerhalb
der Zeitspanne T entspricht.
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Da
im Normalbetrieb von einem konstanten Sollwert für die die Energiezufuhr repräsentierenden Größe auszugehen
ist, kann für
einen Vergleich zur Ermittlung der Abweichung vom Sollwert das Produkt aus
diesem konstanten Sollwert und der Zeitspanne T angesetzt werden.
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Um
ständig
den gleichen Auswertungszeitraum, die Zeitspanne T zur Verfügung zu
haben, müssen
sich die Ober- und Untergrenzen des durch die Zeitspanne T vorgegebenen
Bereiches mit der Zeit ständig
mit der gleichen Geschwindigkeit verschieben. Praktisch läßt sich
das beispielsweise mit den Mitteln eines Schieberegisters realisieren.
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Die
Ermittlung der erwähnten
Fläche
unter der dem Istwert-Verlauf einer die Energiezufuhr repräsentierenden
Größe entsprechenden
Kurve kann auch durch Integration erfolgen.
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Darüber hinaus
besteht die Möglichkeit,
die Summenbildung beziehungsweise Integration erst dann zu starten,
wenn die die Energiezufuhr repräsentierende
Größe einen
Steigungswert aufweist, der einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
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Sowohl
bezüglich
der Überwachung
von kurzzeitigen Grenzwertüberschreitungen
als auch bezüglich
der Grenzwertüberschreitungen über eine Zeitspanne
kann ein weiterer, jeweils darunterliegender Grenzwert festgelegt
werden, der beim Überschreiten
noch nicht unmittelbar zum Abschalten des Antriebes führt. Wird
dieser Grenzwert jedoch mehrmals hintereinander überschritten, deutet auch das auf
eine Störung
hin, die ein Abschalten des Antriebes erfordert.
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Während die
beiden bisher erläuterten
spezifischen Verfahren zur Ermittlung einer Störung beim Antrieb eines Spinnrotors
hauptsächlich
im Normalbetrieb Anwendung finden, ist deren Anwendung zwar bei
transienten Motorzuständen
möglich,
aber nicht so effektiv. So ist, wie bereits weiter oben erläutert, die
in der Startphase des Motors aufgenommene Energie wesentlich höhere als
im Normalbetriebszustand. Dadurch kommt der Sollwert-Verlauf für die Energieaufnahme
bereits in den Bereich des Maximalwertes, bei dessen Überschreiten
im Normalbetrieb ein Abschalten des Antriebes erfolgen soll. Des weiteren
steht unmittelbar nach dem Start des Antriebes noch nicht als Auswertezeit
die Zeitspanne T zur Verfügung.
Deshalb muß die
Auswertung über
ein während
dieser Zeit ständig
wachsendes Zeitintervall TB erfolgen. Damit
verändern
sich nicht nur die Sollwerte für
eine die Energiezufuhr repräsentierende Größe ständig, sondern
auch der zur Produktbildung verwendete Zeitfaktor. Beim Integrieren
führt dies
zu einer festen Untergrenze Null und einer variablen Obergrenze
TB.
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Wie
bereits weiter oben erläutert,
lassen sich Störungen
in der Hochlaufphase des Spinnrotors gegenüber dem Normalbetrieb besser
feststellen. So kann es beispielsweise sein, daß ein noch geringfügiger Fehler,
wie die Verstopfung einer Luftdüse, während des
Normalbetriebes überhaupt
nicht festgestellt werden kann. Selbst in der Hochlaufphase des
Rotors ergibt sich gegebenenfalls jedoch nur eine so weit erhöhte Energieaufnahme,
die einen vorgegebenen Grenzwert noch nicht erreicht. Für diesen Fall
ist vorgesehen, einen darunterliegenden weiteren Grenzwert festzulegen,
dessen Überschreitung zunächst nur
registriert wird. Wird jedoch dieser Grenzwert mehrere Male hintereinander
beim Hochlaufen des Spinnrotors überschritten,
führt auch
dies zum Abschalten des Antriebes.
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Da
diese Störung
offensichtlich bereits mehrmals automatisch nicht behoben werden
konnte, ist es hier von Vorteil, gleichzeitig mit dem Abschalten des
Antriebes ein Alarmsignal zu generieren. Dadurch soll erreicht werden,
daß das Bedienungspersonal
zur Fehlererkennung und Wartung der Offenend-Rotorspinneinheit herangerufen
wird.
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Aufgrund
verschiedener Einflußfaktoren
wie beispielsweise Raumklima, verarbeitetes Material, Laufzeit der
Maschine etc. ergibt sich auch eine Verschiebung der Energiezufuhr,
ohne daß es
sich dabei um einen Störfall
handeln muß.
Deshalb ist es erforderlich, eine Anpassung der Sollwert-Verläufe möglichst
kontinuierlich durchzuführen.
Um dabei auszuschließen,
daß das "Abdriften" einer Offenend-Rotorspinneinheit
unerkannt bleibt, ist es von Vorteil, die Sollwert-Verläufe jeweils
als Mittelwert aus den außerhalb
von Störfällen liegenden
Istwert-Verläufen
einer Mehrzahl von OE-Rotorspinneinheiten zu bilden.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es sowohl möglich, ausschließlich eine
die Energiezufuhr repräsentierende
Größe der Überwachung
der Energiezufuhr zugrundezulegen als auch noch weitere Größen einzubeziehen.
Während
sich vorrangig die Stromaufnahme mit der Änderung der zuzuführenden
mechanischen Energie ändert
und deshalb in der Regel die Funktion der die Energiezufuhr repräsentierenden Größe einnehmen
wird, hat bei Verwendung eines geregelten DC-Zwischenkreises für die Energieversorgung
des Stators die sich ändernde
Spannung ebenfalls einen erheblichen Einfluß auf das Ausmaß der zugeführten elektrischen
Energie. In diesem Falle sollte auch die sich ändernde Spannung in die Überwachung
der Energiezufuhr mit einbezogen werden.
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Während es,
wie bereits erläutert,
im Falle der mehrmals festgestellten erhöhten Energieaufnahme beim Spinnrotorhochlauf
vorteilhaft ist, zusätzlich
mit dem Abschalten des Antriebes ein Alarmsignal zu generieren,
kann dies auch in anderen Fällen
von Vorteil sein. Ist erfahrungsgemäß der überwiegende Anteil der Störfälle dadurch
verursacht, daß Verschmutzungen
im Lagerbereich des Spinnrotors vorliegen, ist es sinnvoll, prinzipiell
ein Alarmsignal auszulösen,
da diese Störung
automatisch üblicherweise
nicht behoben werden kann. Andererseits ist es bei der überwiegenden
Mehrzahl von Störfällen, die
auf eine Rotorüberspeisung
mit Fasern zurückzuführen sind,
nicht unbedingt sinnvoll, jeweils durch ein Alarmsignal das Bedienungspersonal
zu rufen, da eine mit dem Anspinnzyklus verbundene Rotorreinigung
in der Regel eine komplette Beseitigung dieser Störung herbeiführen wird.
Hier kann jedoch auch noch zusätzlich
differenziert werden, indem ein gleichzeitiges Auslösen eines
Alarmsignales mit dem Stillsetzen des Antriebes nur dann erfolgt, wenn
ein weiterer, noch höherer
Grenzwert überschritten
wird als er für
das Auslösen
des Stillsetzens des Antriebes vorgesehen ist.
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Um
jedoch auch sicherzustellen, daß für den Fall,
bei dem nicht stets automatisch mit dem Stillsetzen des Antriebes
ein Alarmsignal generiert wird, die Notwendigkeit eines Eingriffes
des Bedienungspersonals angezeigt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen,
auch im Falle des mehrmaligen Abschaltens des Antriebes aufgrund
eines Störfalles
nach einer vorgebbaren Anzahl von Stillsetzungen zusätzlich ein Alarmsignal
zu generieren.
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Um
des weiteren zu gewährleisten,
daß mit dem
Abschalten des Antriebes nicht noch weiter Fasern in den Spinnrotor
eingespeist werden, was im Extremfall zu einem Brand führen könnte, sollte gleichzeitig
mit dem Abschalten des Antriebes die Faserzufuhr zum Spinnrotor
abgeschaltet werden.
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Üblicherweise
ist an jeder Offenend-Rotorspinneinheit ein sogenannter Spinnstellenrechner vorhanden,
in dem Sollwerte (zum Beispiel Aufspullänge, Reinigerdaten etc.) und
Arbeitsprogramme für die
Spinnstelle abgelegt sind und der eingehende Meßwerte der Spinnstelle mit
diesen Programmen verarbeitet und mit den Sollwerten vergleicht
und daraus entsprechende Steuer- und Regelvorgänge ableitet. Dieser Spinnstellenrechner
enthält
beispielsweise einen Speicher in Form eines EEPROM's, in dem erfindungsgemäß auch die
Sollwert-Verläufe
für die
Energiezufuhr beziehungsweise diese repräsentierende Größen sowie
die Grenzwerte für
die Abweichung von diesen Sollwerten abgelegt sind. Über einen
Komparator erfolgt ein Vergleich der Istwerte mit diesen Sollwerten.
Dieser Komparator wiederum ist dann mit einem Schwellwertschalter
verbunden, der bei Überschreiten
eines Grenzwertes für
das Abschalten des Antriebes sorgt.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockbild mit den wichtigsten Baugruppen für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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1a eine
Variante des Antriebes zum in 1 dargestellten
Antrieb,
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2 ein
Blockbild, welches die logische Verknüpfung der Bedingungen für ein Abschalten des
Antriebs darstellt,
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3 eine
grafische Darstellung der elektrischen und mechanischen Energiebilanzen,
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4 eine
grafische Darstellung des Soll- und Grenzwertverlaufes für mechanische/elektrische Energie
beim Rotorhochlauf,
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5 eine
grafische Darstellung der Stromaufnahme beim Hochlauf eines Spinnrotors
im Normal- und im Störfall,
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6 der
zugehörige
Drehzahlverlauf des Spinnrotors,
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7 eine
grafische Darstellung der Stromaufnahme im Normalbetrieb des Spinnrotors
mit zwei erfindungsgemäßen Grundvarianten
von erfaßbaren Störungen und
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8 eine
grafische Darstellung von Strom, Spannungs- und Leistungsaufnahme
bei sich ändernder
Spannung in einem DC-Zwischenkreis sowie die Leistungsaufnahmekurve
als Produkt der beiden Größen.
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Anhand
der
1 soll zunächst
der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung beschrieben
werden, wie sie zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingesetzt werden kann. Mit
1 ist als Block der gesamte
Antrieb des Spinnrotors bezeichnet. Wesentliche Bauteile dieses Antriebes
1 sind
der Motor
2 selbst, der wiederum im wesentlichen aus einem
Stator und einem durch ein Luftlager von diesem beabstandeten Spinnrotor
besteht. Dabei kann es sich beispielhaft um einen Motor handeln,
wie aus der
DE 42 07
673 C1 bekannt ist.
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Mit
dem Bezugszeichen 3 sind die drei AC-Phasen bezeichnet,
die an die AC-Seite eines DC/AC-Umrichters beziehungsweise Inverters 4 angeschlossen
sind. Auf der DC-Seite des Inverters 4 ist eine DC-Spannungsquelle 5 angeordnet,
die eine Gleichspannung UD liefert. In die
Gleichspannungsversorgung des Inverters 4 ist ein Stromwandler 6 geschaltet,
wodurch die Stromzufuhr zum Antrieb 1 überwacht werden kann. Über eine
Leitung 7 können die
Momentan- oder Iststromwerte iD an einen
Komparator 12' eines
Spinnstellenrechners 12 übermittelt werden. Dieser Komparator 12' ist mit einem
Sollwert-Speicher 13 gekoppelt, wodurch eine ständige Überwachung
einer Abweichung der Iststromwerte von den Sollstromwerten möglich ist.
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Im
Sollwertspeicher 13 oder auch in einem anderen Speicher
des Spinnstellenrechners 12 sind außerdem verschiedene Grenzwerte
für die
Abweichung zum Beispiel der Ist-Stromwerte von den Sollwerten abgelegt
oder durch eine nicht gesondert dargestellte Eingabeeinrichtung
ablegbar. Durch diese abgelegten Werte wird beispielsweise ein Schwellwertschalter 12'' geeicht, der mit den vom Komparator 12'' festgestellten Abweichungen zwischen Ist-und
Sollwerten versorgt wird. Wird dann ein Grenzwert für die Abweichung überschritten,
wird der Schwellwertschalter 12'' betätigt. Über die
zum Antrieb 1 führende
Steuerleitung 16 wird dieser abgeschaltet. Darüber hinaus
wird über
eine Leitung 19' die
Faserzufuhr 19 in den Spinnrotor ebenfalls abgeschaltet.
Eine dritte Leitung 18' führt zu einem
Alarmgeber 18, bei dessen Aktivierung des Bedienungspersonal
gerufen werden kann. Hierfür
kann der Schwellwertschalter 12'' eine
Verzweigung beziehungsweise mehrere Schaltstufen besitzen, die auf zwei
unterschiedliche Grenzwerte ansprechen. So kann in einer ersten
Schaltstufe nur über
die Steuerleitung 16 der Antrieb 1 abgeschaltet
werden, während
in der zweiten Schaltstufe zusätzlich über die Leitung 18' der Alarmgeber 18 aktiviert
wird.
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Die
zweite Schaltstufe des Schwellwertschalters 12'' kann auch vom Spinnstellenrechner 12 dann
erzwungen werden, wenn dieser mehrere aufeinanderfolgende störungsbedingte
Abschaltvorgänge
registriert hat.
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Vom
Stromwandler 6 geht noch eine zweite Leitung 8 ab,
die einen Summenbildner beziehungsweise Integrator 10 mit
den Iststromwerten iD versorgt. Das Integrationsergebnis über eine
Zeitspanne T gelangt über
eine weitere Leitung 10'' ebenfalls in den
Komparator 12''. An diese Leitung 10'' ist ein Teil des Komparators angeschlossen,
der nicht nur einen Sollwertvergleich mit einem festen Sollstromwert durchführt, sondern
das Ergebnis der Integration, was er über die Leitung 10'' vom Integrator 10 vermittelt
bekommt mit dem Produkt aus einem Stromsollwert und einer Zeitspanne
T vergleicht. Dementsprechend wird dieser Teil des Komparators 12' auch mit entsprechenden
Sollwerten aus dem Sollwertspeicher 13 versorgt. Der Schwellwertschalter 12 besitzt einen
weiteren Kanal, der auch auf einen hierfür anwendbaren Grenzwert geeicht
ist.
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Über die
Steuerleitung
17 steuert der Spinnstellenrechner
12 den
Antrieb
1 während
der unterschiedlichen Betriebszustände, das heißt, während der
transienten Betriebszustände
und während
des Normalbetriebszustandes bei Betriebsdrehzahl. Die Informationsleitung
17' informiert
den Spinnstellenrechner
12 über den tatsächlichen
Batriebszustand des Antriebes
1 beziehungsweise des Motors
2. Dazu
kann der Motor mit entsprechender Sensorik, zum Beispiel Hall-Sensoren,
ausgerüstet
sein, die exakt Auskunft über
die jeweilige Winkelstellung des Spinnrotors und damit auch dessen
Drehzahl geben. Eine weitere anwendbare Methode zur Bestimmung des
Drehwinkels ist in der
EP
0 466 672 A1 beschrieben. Dabei wird die in einer jeweils
nicht bestromten Statorphase aufgrund der Rotordrehung induzierte Spannung
gemessen, die ebenso Auskunft über
die Winkelstellung des Spinnrotors gibt. Da vorliegende Erfindung
jedoch nicht an eine dieser Meßmethoden gebunden
ist, erübrigen
sich weitergehende Ausführungen
sowie eine ausführliche
Darstellung in den Zeichnungen.
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In
der Betriebsphase des Spinnrotorhochlaufes, das heißt, beim
Beschleunigen von null bis zur Betriebsdrehzahl ist vorteilhaft
die Überwachung
einer Abweichung von Sollwerten der Energiezufuhr ausschließlich über eine
Summenbildung beziehungsweise Integration zu realisieren. Dazu wird über eine
Leitung 11 der Integrator 10 vom Spinnstellenrechner entsprechend
angesteuert. So ist, wie bereits erläutert, während der gesamten Hochlaufphase des
Rotors das Integrationsintervall ständig wachsend. Nach Abschluß dieses
transienten Betriebszustandes wird der Integrator 10 wieder
auf den Normalbetrieb, das heißt,
eine Integration über
ein festgelegtes Zeitintervall T umgeschaltet. Je nach Betriebszustand
des Antriebes 1 wird auch der Komparator 12' auf die unterschiedlichen
Integrationsergebnisse eingestellt und erhält aus dem Sollwertspeicher 13 die
jeweils passenden Sollwertinformationen. Ebenso werden die jeweils
entsprechenden Grenzwerte an den Schwellwertschalter 12'' übermittelt, der über die
erforderliche Anzahl von Kanälen
verfügt,
die dann wahlweise vom Komparator 12' angesprochen werden.
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Der
Integrator 10 muß jedoch
nicht ständig tätig sein.
Dazu zweigt von der vom Stromwandler 6 kommenden Leitung 7 eine
Leitung 7' ab,
die zu einem Differenzierer 9 führt. Im Differenzierer 9 wird durch
Differentiation die Steigung der Iststromwertkurve ermittelt. Dieser
Differenzierer 9 ist mit einem Komparator 9'' verbunden, der von einem Speicher 9' mit einem Soll-
oder Grenzwert für
die Steigung versorgt wird.
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Wird
im Komparator 9'' eine Überschreitung des
Grenzwertes festgestellt, wird über
die Leitung 9''' ein Schalter 10' im Integrator 10 betätigt. Dieser Schalter 10' schaltet erst
in diesem Falle den Integrator ein, der in der übrigen Zeit zwar über die
Leitung 8 mit Iststromwerten versorgt wird, jedoch diese
Werte nicht weiterverarbeitet beziehungsweise weitervermittelt.
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Der
Spinnstellenrechner 12 ist über eine Leitung 14 mit
einem Sektionsrechner 20 verbunden, der als Server für zum Beispiel
vierundzwanzig Spinnstellenrechner 12, die eine Maschinensektion bilden,
zuständig
ist. In diesem Sektionsrechner 20 werden die auf diesem
Wege übermittelten Istdaten der
Energiezufuhr beziehungsweise der diese repräsentierenden Größe außerhalb
von Störungen
verarbeitet und ein Mittelwert beziehungsweise Mittelwertverlauf
bezüglich
der Betriebsphasen des Antriebes gebildet. Dieser Mittelwert beziehungsweise
Mittelwertverlauf wird in einen Sollwertspeicher 20' und von diesem
an die einzelnen Sollwertspeicher 13 der Spinnstellenrechner 12 über Verbindungsleitungen 15 übermittelt.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß die an sich in der Analogtechnik üblichen
Bezeichnungen wie Komparator, Integrator, Schwellwertschalter oder
Differenzierer im vorliegenden Beispiel nicht so verstanden werden
sollen, daß sich
die Erfindung auf den Einsatz der Analogtechnik beschränkt. Die
digitale Signalverarbeitung erfüllt
den gleichen Zweck und dürfte
mit geringerem Aufwand realisierbar sein. Dementsprechend sind zur
Wandlung analoger Signale in digitale Signale entsprechende Analog-/Digitalwandler
zwischenzuschalten. Da es sich jedoch hierbei um in der Signalverarbeitung
beziehungsweise Elektrotechnik übliche
Vorgehensweisen handelt, ist eine tiefergehende Erläuterung
und Darstellung an dieser Stelle zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich.
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1a zeigt
eine Variante eines Antriebes 21, bei der ein geregelter
Zwischenkreis vorhanden ist. Während
bei der ersten Variante der Integrator mit einer konstanten Spannung,
die jedoch in der Impulsbreite geregelt werden kann, versorgt wird,
wird bei der zweiten Variante die Amplitude der Spannung verändert. Eine
Gleichspannungsquelle 22 versorgt einen Spannungswandler
mit einer Gleichspannung UD. Diese Spannung
wird aufgrund des Regelungsmechanismus des Antriebes in eine Zwischenspannung
gewandelt, die entsprechend der Leistungsaufnahme des Motors 25 schwankt.
Mit dieser Zwischenspannung wird der Inverter 24 versorgt,
der über
die Statorphasen 26 mit dem Motor 25 verbunden
ist.
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Wird
in diesem Falle die Stromstärke
von einem zwischen dem Spannungswandler 23 und dem Inverter
angeordneten Stromwandler 27 gemessen, ist auch die sich ändernde
Spannung von einem Voltmeter 28 zu ermitteln. Die Stromwerte
werden über eine
Leitung 29 und die Spannungswerte über eine Leitung 30 an
den Spinnstellenrechner 12 übermittelt. Da sich die übrigen Teile
des Blockbildes der 1 auf dieses Beispiel übertragen
lassen, war eine Darstellung und Erläuterung derselben hier nicht noch
einmal erforderlich.
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2 enthält eine
logische Verknüpfung
der Bedingungen für
das Abschalten des Antriebes. Im Block 31 ist die Voraussetzung
des Normalbetriebes angegeben, indem die Drehzahl n = nB,
wobei nB die Betriebsdrehzahl ist. Im Block 32 ist
die Bedingung A angedeutet, die darin besteht, daß iD – Im ≥ delta
Imax.
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Darin
bedeuten:
iD... Iststromwerte im Gleichspannungskreis,
Im.... mittlere Stromstärke im Normalbetrieb (Sollstromstärke),
Imax... Maximalwert für die Stromstärke und
delta
Imax Differenz zwischen Maximalstromwert
Imax und Im.
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Delta
Imax verkörpert damit den Grenzwert, dessen
auch kurzzeitiges Überschreiten
zum Abstellen des Antriebes führt.
Dies ist auch aus dem Teil 42' der Stromkurve 42 im
Normalbetrieb in 7 zu erkennen.
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Die
im Block 33 angedeutete Bedingung B läßt sich auch in Zusammenhang
mit der Darstellung des Kurventeiles 42'' der
Stromkurve 42 in 7 erläutern. Dabei
ist deutlich erkennbar, daß der
Teil 42'' der Stromkurve 42 im
durch Schraffur hervorgehobenen Bereich unter Imax liegt.
Dabei ist davon auszugehen, daß Imax und der Kurventeil 42'' noch weiter auseinander liegen
können,
da für
die Bewertung einer Störung
eine anhaltende erhöhte
Energiezufuhr wesentlich gravierender ist als ein kurzzeitiges Überschreiten
eines höheren
Wertes.
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Bei
der Bedingung B wird über
eine Zeitspanne T das in der Zeichnung dargestellte Integral gebildet.
Entsprechend läßt sich
angenähert
die durch Integral dargestellte Fläche auch durch eine einfache
Summenbildung realisieren, wobei mit kürzer werdender Schrittlänge von
delta t die Genauigkeit der Berechnung zunimmt. Mit tF ist
ein "Frontzeitwert" bezeichnet, der
den jeweils aktuellen Zeitwert verkörpert und am Beginn der Zeitsppanne
T für die Integration
liegt. Diese Zeitspanne T wird praktisch ständig mit der Zeit verschoben.
Wie bereits dargestellt, läßt sich
diese Berechnung über
ein Schieberegister oder äquivalente
Mittel realisieren. Die über das
Integral oder durch Summenbildung ermittelte Fläche wird auch hier einem Grenzwert
gegenübergestellt,
der aus einem Produkt aus einem vorgegebenen, um den Sollstromwert
verminderten Stromwert und der Zeitspanne T besteht. Bei Überschreitung
dieses Grenzwertes ist die Bedingung B erfüllt.
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Wird,
wie im Zusammenhang mit 1a erläutert, mit
einem geregelten Zwischenkreis gearbeitet und werden die Stromwerte
iD im Zwischenkreis abgenommen, müssen auch
die Spannungswerte uD berücksichtigt
werden.
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Wie
aus 8 ersichtlich ist, erhöhen sich in dem Integrationsintervall
T entsprechend der Darstellung in 7 bei diesem
Beispiel sowohl die Strom- als auch die Spannungswerte entsprechend, wie
das durch die Kurvenabschnitte 43' und 44' der Spannungs- und Stromkurven 43 und 44 ersichtlich ist.
Das Produkt dieser beiden Größen ist
als Kurvenverlauf 45 dargestellt und entspricht der Leistungsaufnahme
des Antriebes. Aufgrund der sich ändernden Spannung sind neben
den Iststromwerten auch die Istspannungswerte in die Integration
einzubeziehen. Um steht dabei für
den Spannungssoll- beziehungsweise -mittelwert.
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Die
beiden genannten Bedingungen A und B sind durch ein logisches "oder" verbunden, so daß das Erfüllen nur
einer der Bedingungen in Verbindung mit dem als Block 31 gekennzeichneten
Normalbetriebszustand (Undverknüpfung)
ein Abschalten des Antriebes bewirken kann, da die Verbindung zur
Leitung 16 (beziehungsweise zum Schwellwertschalter 12'') durchgängig ist, das heißt, mit
noch zu erläuternden
Bedingungen ebenfalls durch ein "Oder-Glied" verbunden ist.
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Der
Block 34 deutet an, daß hiermit
der transiente Betriebszustand der steigenden Drehzahl, das heißt, der
Start- oder Hochlaufphase
des Rotors gemeint ist. Im Block 35 ist mit C das Erfüllen einer
Bedingung C gemeint, die anhand der 3 bis 6 näher erläutert werden
soll.
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3 zeigt
den Verlauf der Energiezufuhr E in Abhängigkeit von einem ständig wachsendem
Bewertungszeitraum TB. Mit TA ist
die Zeitspanne bis zum Ende der Anlaufphase, das heißt bis zum
Erreichen der Betriebsdrehzahl, angedeutet. Mit 36 ist eine
Kurve bezeichnet, die die innerhalb dieser Zeitspanne zugeführte elektrische
Energie bei einem Störfall
charkaterisiert. 37 ist eine Kurve, die lediglich die bis
dahin trägheitsbedingt
theoretischen aufzubringende kinetische Energie für den Fall
des normalen Hochlaufes wiedergibt.
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Dabei
bedeuten:
JR ... Rotorträgheit nominal
(leerer Spinnrotor),
ω ...
Winkelgeschwindigkeit des Spinnrotors
EK ...
kinetische Energie des Spinnrotors auf Basis JR,
EES ... zugeführte elektrische Energie im
Störfall
Der Sollwertverlauf (Kurve 37''') liegt zwischen
diesen beiden Kurven 36 und 37, da neben der trägheitsbedingten
Energieaufnahme des Antriebes auch noch weitere Komponenten, ausgedrückt durch
delta Em(TB), zu
berücksichtigen
sind, wie zum Beispiel die in jedem Fall vorhandene Luftreibung
sowie die für das
Spinnen selbst aufzubringende mechanische Energie, Verluste im Inverter
und im Motor etc. Ausgehend von einem diese Faktoren berücksichtigenden,
vorzugsweise empirisch zu ermittelnden Sollwertverlauf ist der Vergleich
mit der tatsächlichen Leistungsaufnahme,
wie sie in der Kurve 36 dargestellt ist, durchzuführen. Bei Überschreiten
eines Grenzwertes des Abweichens von dem Sollwertverlauf (Bedingung
C) ist auch hier erfindungsgemäß der Antrieb
abzuschalten.
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In
4 ist
die Basis für
eine Modifikation dieser Bedingung C dargestellt. Die Kurve
37' entspricht
der Differenz zwischen der tatsächlich
erzeugten kinetischen Energie des Spinnrotors und der mittleren
tatsächlich
aufzubringenden mechanischen Energie, die auch die oben genannten
zwangsläufig auftretenden
Verluste mitenthält.
Diese Differenz delta E
M(T
B)
besteht im wesentlichen aus den drei in
4 zur Kurve
37' aufgeführten Summanden.
Dabei sind:
P
m ... die mittlere Abgabeleistung
des Spinnrotors aufgrund systemimmanenter Lastaufnahme wie Luftreibung,
Spinnen etc. in Abhängigkeit
von der sich zeitlich ändernden
Winkelgeschwindigkeitw(t),
...
Summe aller Verluste im Inverter und Motor und
delta J
R die Trägheitsdifferenz
des Spinnrotors zwischen einem leeren Spinnrotor und dem mit Fasern gefüllten Spinnrotor.
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Bei
allen drei Summanden handelt es sich um Energieanteile. Diese Energieanteile
sind auch bei normalem Rotorhochlauf neben der theoretisch aufzubringenden
kinetischen Energie durch die dem Antrieb zugeführte elektrische Energie zu
erbringen. Diese Sollenergiedifferenz delta Em(TB) läßt sich
empirisch ermitteln, wenn bei dieser Ermittlung die Störfälle ausgeklammert
werden. Für
einen Grenzwert wird dann beispielsweise ein Faktor von 1,3 dieses Sollwertes
festgelegt (Kurve 37'').
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Im
Falle einer Störung
beim Hochlauf, die zur erhöhten
Energieaufnahme führt,
kann auch zusätzlich
der Drehzahlverlauf vom normalen Drehzahlverlauf abweichen, wenn
durch die erhöhte
Energieaufnahme die mechanischen Verluste nicht ausgeglichen werden
können.
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6 zeigt
den zeitlichen Ablauf eines Rotorhochlauf es, wobei durch die Kurve 40 (nN) der normale Hochlauf dargestellt ist und
durch die Kurve 41 (ns) der Störfall wiedergegeben ist.
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Der
in 3 dargestellte Verlauf der Kurve 37 würde aufgrund
der Abhängigkeit
von der Winkelgeschwindigkeit nach unten abweichen (Kurve 37''''). Werden nun
die durch die Kurve 37' dargestellten Werte
für delta
Em(TB) als Sollwerte
zum veränderten Kurvenverlauf 37'''' der Kurve 37 addiert,
ergibt sich eine noch größere Abweichung
zum Verlauf der Kurve 36, die die tatsächliche Energieaufnahme an
elektrischer Energie im Störfall
wiedergibt. Demzufolge verschiebt sich die Sollwertkurve gegenüber der
Kurve 37''' um die Differenz zwischen den
Kurven 37 und 37'''' nach
unten (nicht dargestellt), das heißt, sie entfernt sich zunehmend
von der Kurve 36, die die tatsächliche Energieaufnahme verkörpert. Auf
diese Weise läßt sich
die Erkennung eines Störfalles
in der Hochlaufphase weiter verbessern. Dabei steigen sowohl die
Zuverlässigkeit
der Erkennung als auch die Möglichkeit
einer früheren
Erkennung eines Störfalles.
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In 5 ist
der der 3 entsprechende zeitliche Ablauf
dargestellt, wobei die sich ändernden Iststromwerte
in in einem Störfall
durch die Kurve 38 (iDS) und für den normalen
Hochlauf als Kurve 39 (iDN). Nach
Erreichen des Zeitpunktes TB ist erkennbar, daß die Kurve 39 in
Strommittelwert beziehungsweise Stromsollwert Im übergeht.
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Aus
den Kurven 38 und 39 geht hervor, daß die Absolutwerte
der Stromaufnahme zunächst
relativ gering voneinander abweichen, wobei die Abweichung zunehmend
größer wird
und bei TA ein Maximum erreicht. Daraus
wird zwar ersichtlich, daß auch die
Absolutwerte nach einer Zeitspanne TB, die
die bis dahin abgelaufene Beobachtungszeit kennzeichnet, schon relativ
groß ist.
Allerdings weicht die Stromaufnahme beim Hochlauf durch deren Schwankungen
von der dargestellten Kurvenform ab. Dadurch wird eine Auswertung
der Absolutwerte relativ ungenau, auch wenn sie zur Überwachung
der Energiezufuhr zum Antrieb mit dem Ziel des Detektierens eines
Störfalles
keinesfalls als ungeeignet bezeichnet werden kann. Die Integration,
durch die die Fläche
zwischen den beiden Kurven 38 und 39 ermittelt wird,
ist jedoch für
die Feststellung eines Störfalles zuverlässiger.
Das liegt vor allem darin begründet, daß sich gerade
in dieser Betriebsphase auftretende oben erwähnte Schwankungen in der Stromaufnahme
nur unwesentlich auf den Vergleich der beiden durch Integral ermittelten
Flächen
auswirken. Dadurch kann ein Grenzwert für die Abweichung in einem engeren
Bereich gesetzt werden. Dies führt
zusätzlich
dazu, daß die
Entscheidung über
das Abschalten des Motors zu einem früheren Zeitpunkt innerhalb der
Hochlaufphase getroffen werden kann.
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In
Bezug auf 2 ergibt eine "Und-Kombination" der Blöcke 34 und 35,
das heißt,
das Erfüllen der
Bedingung C bei steigender Drehzahl n bewirkt ein Abschalten des
Antriebes, da die Verbindung zur Leitung 16 durchgängig ist,
das heißt,
gemeinsam mit den Blöcken 31 bis 33 über eine "Oder-Verbindung" zur Leitung 16 führt.
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Bei
der Darstellung in 6 ist die Abweichung zwischen
den beiden die Drehzahl wiedergebenden Kurven 40 und 41 relativ
groß,
so daß für diesen
transienten Zustand auch lediglich die Überwachung der Drehzahl zur
Störfallermittlung
geeignet sein könnte.
Gegenüber
der Abweichung der Energieaufnahme ist diese Differenz jedoch in
jedem Falle geringer, so daß bezüglich der
Zuverlässigkeit
die Überwachung
der Energiezufuhr vorzuziehen ist.
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Für den Fall
der Antriebsvariante mit geregeltem Gleichstromzwischenkreis kann
in der Hochlaufphase analog dem Normalbetrieb auch die an dieser
Stelle auftretende Spannungsschwankung berücksichtigt werden, indem der
schwankende Spannungswert in das Integral mit einbezogen wird.
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Die
erfindungsgemäße Überprüfung des Ausmaßes der
Abweichung von einem Sollwert und Festlegung eines Grenzwertes für die Abweichung schließt selbstverständlich mit
ein, die Grenzwerte als Absolutwerte festzulegen, die dann unmittelbar der
Summe aus jeweiligem Sollwert und Grenzwert der Abweichung entsprechen.