DE4446621A1 - Frequenzgeregelter Stellmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für Strömungsmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei derartigen Verstelleinrichtungen, wie sie aus der DE-A-43 06 131 und der DE-A-43 06 141 bekannt sind, ist der Stellmotor nur für die Zeitdauer des eigentlichen Verstellvorganges in Betrieb. Während des normalen Betriebes der Strömungsmaschine rotiert der Rotor des Stellmotors mit der gleichen Drehzahl, wie die mit dem Verstellpropeller verbundene Welle, in der auch die Übertragungs­ elemente des Verstellmechanismus angeordnet sind. In Abhängigkeit von den Massenträgheitsmomenten des Rotors des Stellmotors besteht die Gefahr, daß beim An- und Abfahren der Strömungsmaschine eine unerwünschte Verstellbewegung ausgeführt werden kann. Wenn die Reibungswiderstände innerhalb des Verstellmechanismus kleiner sind als die durch Massenträgheits­ momente des Stellmotors hervorgerufene Beschleunigungskräfte, besteht die Gefahr einer unerwünschten Verstellbewegung. Im ungünstigen Fall kann dabei der Verstellmechanismus in eine seiner Endlagen gefahren werden, wodurch es beim Anlaufen an begrenzenden Anschlägen zu mechanischen Schädigungen kommen kann. Dem kann durch ständiges synchrones Mitlaufen des Stellmotor-Drehfeldes mit den rotierenden Teilen des Verstellmechanismus begegnet werden, indem mittels Regelvorgängen und entsprechende positive oder negative Beschleunigungen eine durch zu große Massenträgheitsmomente verursachte Verstellung vermieden wird. Dies bedingt aber eine aufwendige Sensor- und Regeltechnik.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, mit einfachen Mitteln eine Steuerung der gattungsgemäßen Verstelleinrichtung zu erhalten.

Die Lösung sieht vor, daß der Stellmotor in seiner Antriebsfrequenz veränderbar ist. Die dafür notwendige Einrichtung muß dann nur noch kurzfristig beim An- und Abfahren der Strömungsmaschine sowie beim eigentlichen Verstellvorgang aktiviert werden. Dazu wird das Drehfeld des Stellmotors synchron auf die Drehzahl der Welle der Strömungsmaschine eingeregelt und es wird zu Korrekturzwecken und/oder für einen Verstellvorgang in Bezug auf die Drehzahl der mit dem Propeller verbundenen Welle verändert. Die Veränderung der Antriebsfrequenz des Stellmotors bewirkt dann eine Relativbewegung zwischen der Welle und dem Rotor des Stellmotors, und zwar in positiver oder negativer Richtung, wodurch die eigentliche Verstellbewegung einleitbar ist.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben. Durch die Verwendung einer frequenzverändernden Einrichtung mit integrierter Regeleinheit wird der regelungstechnische Aufwand erheblich vermindert. Im Normalbetrieb der Strömungsmaschine muß die frequenzverändernde Einrichtung, gewöhnlich ein Frequenzumformer, nicht in Betrieb sein. Durch die integrierte Reglereinheit, bei der es sich um eine elektronische Recheneinheit, einen Mikroprozessor oder dergleichen handeln kann sowie die damit verbundenen Sensoren, ist eine komfortable Regelung möglich. Damit kann eine die Antriebsfrequenz verändernde Einrichtung in programmierbarer Weise an die jeweiligen Betriebsverhältnisse durch Änderung von entsprechenden Parametern angepaßt werden. Die Verwendung von Sensoren zur Drehmomenterfassung ermöglicht eine Momentenregelung mit reduziertem Regelaufwand. Der Aufwand an Sensortechnik und zugehörigen Leitungen kann somit erheblich reduziert werden. Soll eine Schaufelverstellung stattfinden, erhält die Einrichtung z. B. über einen Computer den Startbefehl. Bei einem An- oder Abfahren der Strömungsmaschine und einem Betriebszustand, bei dem kein Schlupf zwischen den zu bewegenden Teilen steht, arbeitet der Stellmotor nur bei einer beabsichtigten Verstellung. Ein schlupffreier Betrieb wird bei ungünstigen Massenträgheitsmomenten durch die Verwendung eines Synchronelementes gewährleistet. Bei gewünschter Verstellung wird die frequenzverändernde Einrichtung gewissermaßen im Leerlauf hochgefahren, bis die Drehzahl synchronisiert ist. Nach erfolgter Drehzahl­ synchronisation beaufschlagt die frequenzverändernde Einrichtung den Stellmotor mit einem Moment. Dies löst den Verstellvorgang aus. Die Schaufeln können in beiden Drehrichtungen verstellt werden. Nach Erreichen der gewünschten Schaufelstellung erfolgt die Abschaltung der frequenzverändernden Einrichtung. Ein innerhalb der Einrichtung vorhandenes Reglermodul verwertet das Signal eines Weggebers sowie einer angeschlossenen Sollwertvorgabe. Die Einrichtung regelt dann eine Sollwertabweichung automatisch aus.

Die Ausgestaltung der Ansprüche 7 und 8 sieht die ausschließliche Verwendung von Drehgebern als Sensoren vor, die auch als Inkrementalgeber ausgebildet sein können. Eine mit solchen Sensoren ausgestattete Verstelleinrichtung findet Verwendung bei denjenigen Strömungsmaschinen, bei denen häufig und mit hoher Genauigkeit eine Verstellung vorgenommen wird. Die dazu ständig in Betrieb befindliche Verstelleinrichtung kann eine Strömungsmaschine kurzfristig und ganz präzise auf einen erforderlichen Betriebspunkt einregeln. Dies bietet sich bei Strömungsmaschinen an, bei denen ein schlupffreier Betrieb nicht unter allen Umständen gewährleistet werden kann.

Die Lösung des Problems sieht auch ein Verfahren vor, wie es im Patentanspruch 9 beschrieben ist. Mit Hilfe der die Antriebsfrequenz des Stellmotors verändernden Einrichtung wird erreicht, daß dessen mit der Wellendrehzahl rotierender Rotor immer synchron mit der Wellendrehzahl umläuft. Für eine beabsichtigte Verstellung erfolgt eine bewußte Veränderung der Synchrondrehzahl des Stellmotors, um so einen Verstellvorgang auszulösen. Diese Art der Regelung bewirkt eine schnelle und sanfte Verstellbewegung. Der Rotor des Stellmotors läuft aufgrund der innerhalb des Verstellmechanismus vorherrschenden Reibung synchron mit der Wellendrehzahl.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beschrieben. Es zeigt die

Fig. 1 das Schaltbild eines in seiner Antriebsfrequenz veränderbaren Stellmotor und die

Fig. 2 eine Variante unter Verwendung von Drehgebern als Sensoren.

Im Blockschaltbild der Fig. 1 ist ein Stellmotor 1 einer Schaufelverstellung gezeigt, der durch eine elektrische Leitung 2 mit einer frequenzverändernden Einrichtung 3 verbunden ist. In der frequenzverändernden Einrichtung 3, gewöhnlich ein Frequenzumformer, ist eine Regeleinheit 4 integriert, die mit Sensoren und Sollwertgebern in Verbindung steht. Ein Sensor 5 dient zur Registrierung der Drehmomentaufnahme innerhalb einer nicht dargestellten Verstelleinrichtung. Ein weiterer Sensor 6 dient der Registrierung der Wege in der Verstelleinrichtung und mit Hilfe eines Sollwertgebers 7 wird die gewünschte Schaufelstellung als Wert in die frequenzverändernde Einrichtung 3 eingegeben. Entsprechend der Verwendung findenden Sensoren kann es notwendig sein, deren Signale durch Auswertgeräte 7, 8 aufzubereiten, damit die Signalverarbeitung an die frequenzverändernde Einrichtung 3 angepaßt werden kann.

Bei einer beabsichtigten Verstellung der Schaufeln eines Verstellpropellers wird an einem Sollwertgeber 9 die gewünschte Schaufelstellung vorgewählt und in die frequenzverändernde Einrichtung 3, 4 eingespeist. Diese paßt die Drehzahl des Stellmotors 1 so an, daß eine Relativbewegung einer Verstellwelle zu einer Antriebswelle stattfindet und somit einen Verstellvorgang in einem Verstellgetriebe auslöst.

In der Fig. 2 ist eine frequenzverändernde Einrichtung 10 gezeigt, in die zusätzlich als Istwert ein Signal von einem Hauptmotor 11 eingespeist wird. Der Hauptmotor 11 treibt einen Verstellpropeller an und ist mit einem Drehsensor 12 ausgerüstet, der gewöhnlich als Inkrementalgeber ausgebildet ist. Ein Stellmotor 1 verfügt ebenfalls über einen entsprechenden Drehsensor 13. Diese Drehsensoren 12, 13 liefern so genaue Signale, daß mit Hilfe der frequenzverändernden Einrichtung 3, in diesem Fall ein sog. Servoumrichter, eine punktgenaue Regelung des Stellmotors 1 möglich wird. Mit Hilfe eines Sollwertgebers 9 wird die gewünschte Schaufelstellung vorgewählt. Ein als Wegstreckengeber wirkender Sensor 14 meldet die aktuelle Schaufelstellung an die frequenzverändernde Einrichtung 10 zurück. Die darin integrierte Regeleinheit 4 löst dann die entsprechenden Regelvorgänge aus.

Claims (9)

1. Verstelleinrichtung für eine Strömungsmaschine mit einem von einer Welle getragenen Verstellpropeller, wobei innerhalb der Welle angeordnete Übertragungselemente eines Verstellmechanismus mit einem elektrischen Stellmotor kräfteübertragend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (1) in seiner Antriebsfrequenz veränderbar ist.

2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Antriebsfrequenz verändernde Einrichtung (3, 10) mit integrierter Reglereinheit (4) den Stellmotor (1) beeinflußt.

3. Verstelleinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzverändernde Einrichtung (3, 10) mit ein oder mehreren Sensoren (5, 6; 12, 13, 14) zur Erfassung von Drehzahlen, Momenten oder Wegstrecken des Verstellmechanismus versehen ist.

4. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzumformer die frequenzverändernde Einrichtung (3, 10) bildet.

5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertgeber (9) und je ein Sensor (5, 6) für eine Drehmomentaufnahme und eine Wegaufnahme mit der frequenzverändernden Einrichtung (3, 10) verbunden ist.

6. Verstelleinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Rotor des Stellmotors und der Verstelleinrichtung Synchronelemente angeordnet sind.

7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertgeber (9) und zwei Drehsensoren (12, 13) mit der frequenz­ verändernden Einrichtung (3, 10) verbunden sind.

8. Verstelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehsensoren (12, 13) als Inkrementalgeber ausgebildet sind.

9. Verfahren zum Betrieb einer Verstelleinrichtung einer mit einem Verstellpropeller ausgestatteten Strömungsmaschine, wobei der Verstellpropeller mit einer Welle verbunden ist und innerhalb der Welle Übertragungselemente für einen Verstellmechanismus angeordnet sind und von einem elektrischen Stellmotor die Verstellkräfte auf den Verstellmechanismus übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (1) als ein in seiner Antriebsfrequenz veränderbarer elektrischer Motor ausgebildet ist, daß für eine Verstellbewegung das elektrische Drehfeld des Stellmotors (1) synchron an die Drehzahl der Welle angeglichen wird und daß durch Änderung der Antriebsfrequenz des Stellmotors (1) eine Relativbewegung der Verstelleinrichtung zur Drehzahl der Welle erfolgt und den Verstellvorgang auslöst.