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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur automatischen Regelung eines Asynchronmotors zum Antrieb des
Schussspularmes in Schusszufuhrvorrichtungen für Textilmaschinen, insbesondere
für Webstühle.
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Konventionelle
Schusszufuhrvorrichtungen sind Vorrichtungen, die mit einer feststehenden Trommel
ausgerüstet
sind, an welcher Trommel ein Schussspularm vom Typ eines Windrades
eine Vielzahl von Umwicklungen aufwickelt, wobei die Wicklungen
eine Schussreserve festlegen, die sich von der Trommel abwickelt,
wenn der Webstuhl dies fordert bei jeder Schusszufuhrrunde.
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Gegenwärtig ist
der am meisten verwendete Motortyp zum Drehen des besagten Windradarmes der
Schusszufuhrvorrichtung ein Asynchronmotor (vergleiche beispielsweise
US-A-4,739,942). Diese weit verbreitete Wahl ist bestimmt durch
verschiedene Faktoren, wobei die wichtigsten darunter geringe Anschaffungs-,
Betriebs- und Wartungskosten dieser Motoren sind, welche aus ihrer
strukturellen Einfachheit und insbesondere wegen des Nicht-Vorhandenseins gleitender
Teile im Hinblick auf raschen Verschleiß resultieren. Darüber hinaus
hat die Entwicklung der Halbleitertechnologie programmierbare Systeme
oder Mikrokontroller erhältlich
gemacht, die korrespondierende Peripherien integrieren, welche zum Generieren
von Wellenformen für
Signale zur direkten Steuerung der Inverter, die besagte Motoren
antreiben, befähigt
sind, wobei der Ausdruck „Inverter" konventionelle Vorrichtungen
bezeichnet, die geeignet sind, ein System mehrphasiger sinusförmiger Spannungen,
deren Amplitude und Frequenz nach Belieben variiert werden können, zu
generieren.
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Die
Spannungen und Frequenzen, mit denen der Inverter den Motor versorgt,
sind normalerweise wechselseitig durch eine Funktion verbunden,
die angepasst ist durch eine V/F-„Kennlinie" in der Form einer Spannungs-Frequenz, deren Verhalten
durch eine anfängliche
lineare Rampe charakterisiert ist, welche, da die Frequenz von Null
bis zu einem Nennwert fn ansteigt, ein korrespondierendes Anwachsen der
Spannung von einem Minimalwert (V0≠0)
bis zu einem Nominalwert Vn festlegt.
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Um
die Verluste im Magnetkreislauf bei akzeptablen Werten zu halten,
wird dann der Nennwert Vn konstant gehalten, während die Frequenz über ihren
Nennwert fn bis zu einem Maximalwert fmax ansteigt.
Entsprechend verrin gern sich der magnetische Fluss und das vom Motor
erzeugte Antriebsdrehmoment proportional und der Motor läuft im Bereich
zwischen der Nennfrequenz fn und der Maximalfrequenz fmax mit
konstanter Leistung.
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Diese
Regelkennlinie ist in vielen Fällen
ausreichend, aber kann für
die Steuerung des Motors, der den Windrad-Schussspularm der oben
beschriebenen Schusszufuhrvorrichtungen antreibt, unangemessen oder
wenigstens nicht vollständig
zufriedenstellend sein.
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Im
Falle der Schusszufuhrvorrichtungen muss das Motorregelsystem tatsächlich verschiedene
Variablen in Erwägung
ziehen, und zwar hauptsächlich:
- a) die auf die Motorwelle durch den Windradarm angewandte
mechanische Last, die variabel ist und in signifikantem Maße von der
Gleitreibung des Fadens auf der Endhülse des Arms, vom Typ des Schussfadens,
vom Grad des auf den Faden am Einlass der Schusszufuhrvorrichtung
angewandten Bremsens, von der Gestalt der Spule, auf der der Schussfaden
aufgewickelt ist und vom Grad der Befüllung besagter Spule abhängt;
- b) die temperaturabhängigen
Variationen der elektrischen Parameter des Motors, insbesondere die
Variationen des Rotorwiderstandes;
- c) die unvermeidlichen Variationen im Luftspalt;
- d) die Variationen in den Reibungswiderständen, die auf die Antriebswelle
wirken und die durch den Verschleiß der unterstützenden
Lager und durch den unterschiedlichen Wert der Rollreibung besagter
Lager verursacht werden, da die Temperatur variiert und/oder im
Falle des Eindringens von Fremdkörpern,
Staub oder dergleichen;
- e) die Variationen in der Spannungsversorgung.
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Konventionelle
Regelsysteme berücksichtigen
näherungsweise
die oben beschriebenen variablen Faktoren durch Auswahl von V/F-Regelkennlinien,
die im Hinblick auf die Anforderungen des verwendeten Motors überdimensioniert
sind.
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Dies
bringt bedenkliche Nachteile mit sich, da in den meisten Fällen die
Energieversorgung mehr Energie als notwendig aufnimmt und die überschüssige Energie
als Wärme
verschwendet, während
in einigen speziellen Fällen,
in denen vom Motor eine Lieferung signifikant höherer Leistungsspitzen erforderlich
ist, die gewählte
V/F-Kennlinie trotz ihrer Überdimensionierung
ungeeignet sein kann, mit der Anforderung besagter momentaner höherer Leistung zurecht
zu kommen. In diesem Fall kann der Windradarm in der Absicht, die
Fadenreserve nachzufüllen, anhalten
oder wenigstens seine Rotationsrate signifikant reduzieren mit der
Folge einer kompletten Entleerung besagter Reserve über einen
mehr oder weniger ausgedehnten Zeitraum.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die besagten ernsten
Nachteile ist es, diese zu eliminieren, und innerhalb des Umfangs
dieses allgemeinen Zieles hat die Erfindung die folgenden besonders
wichtigen Aufgaben:
- – ein Regelverfahren und eine
Regelvorrichtung vorzusehen, die geeignet sind, automatisch die Spannungs-Frequenz-Kennlinie
während
des Betriebs des besagten Windradarmmotors bei im wesentlichen konstanter
Geschwindigkeit zu regeln;
- – ein
automatisches Regelverfahren und eine automatische Regelvorrichtung
vorzusehen, die im wesentlichen unempfindlich gegenüber den
oben beschriebenen Variablen sind;
- – ein
Regelverfahren und eine Regelvorrichtung vorzusehen, die geeignet
sind, – kompatibel
zur der durch die Betriebsbedingungen aktuell geforderten Leistung – das Erwärmen der
Energieversorgung unter Vermeidung ihrer Überhitzung in jedem Fall zu
minimieren;
- – ein
Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die befähigt sind,
die Belastungen der elektronischen Komponenten des Regelungs- und
Energieversorgungssystems des Motors zu minimieren, insbesondere
diejenigen der Komponenten des Leistungsteils der Antriebsmittel
(Inverter) besagten Motors, und auch die mechanischen Belastungen,
die auf die Schusszufuhrvorrichtung wirken als Konsequenz der Überschussenergie, die
vom Motor geliefert wird, zu reduzieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden diese und andere wichtige Aufgaben, die durch die folgende
detaillierte Beschreibung besser verständlich sein werden, gelöst mit einem
Regelverfahren und einer Regelvorrichtung, die die spezifischen Merkmale
haben, die in den angehängten
Ansprüchen
festgelegt sind.
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Im
wesentlichen ist die Erfindung auf dem Konzept einer automatischen
Variierung der V/F Spannungs-Frequenz-Kennlinie gegründet, um
eine elektrische Energie zu liefern, die aktuell gefordert ist und
die zur aktuell auf die Energieversorgung bei der verschiedenen
Betriebsbedingungen angewandten Beladung korrespondiert. Dies wird
gemäß der Erfindung
mit einem Regelverfahren und einer Regelvorrichtung erreicht, in
der die V/F Spannungs-Frequenz-Kennlinie
als eine Stellvariable genommen wird, dieser die Rolle eines numerischen
Indexes gegeben wird, welcher geeignet ist, die Kennlinie, welche
für die
laufenden Betriebsbedingungen geeignet ist, durch Auswahl aus einer
Gruppe herauszufinden; die geregelte Variable wird durch den Schlupf
des Asynchronmotors, der den Windradarm der Schusszufuhrvorrichtung
antreibt, festgelegt.
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In
der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck „Stellvariable" die Variable, die
der Regelprozess innerhalb vorgegebener Grenzwerte variiert, um
die zu regelnde Variable mit dem Bezugspunkt des Regelsystems zusammenfallen
zu lassen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung werden besser anhand der folgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausgestaltungen davon verdeutlicht werden, veranschaulicht
dargestellt nur anhand eines nicht beschränkenden Beispiels in den beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
Darstellung ist, die eine Gruppe von V/F-Kennlinien zeigt, unter
denen das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
die für
die laufenden Betriebsbedingungen geeignete Kurve wählt;
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2 ein
Blockdiagramm der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur automatischen Selektion
der geeigneten Kennlinie aus der Gruppe der Kennlinien gemäß 1 ist.
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Zunächst, mit
Bezug auf 1, bezeichnet das Bezugszeichen
FC eine Gruppe von V/F- Spannungs-Frequenz-Kennlinien, von denen
jede eine lineare Rampe umfasst, die – für einen Frequenzbereich, der
zwischen 0 (Null) und dem Nennwert fn variieren kann – zwischen
einem minimalen aber von 0 verschiedenen Spannungswert V0 (V0 ≠ 0) und einem
entsprechenden Nennwert Vn sich erstreckt. Besagte FC-Gruppe von
Kennlinien deckt entsprechend einen Bereich ab, der zwischen einem
unteren Grenzwert ms liegt, welcher begrenzt wird durch die Ordinate
bezogen auf den maximalen Nennwert Vnmax der
Spannung, und einem unteren Grenzwert mi, der begrenzt wird durch
die Ordinate bezogen auf den minimalen Nennwert Vnmin besagter
Spannung.
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Ein
numerischer Index V/Findex, der zwischen 0
(Null) und 100 variieren kann, ist mit der Kollektion von Kurven
verbunden, die die FC – Gruppe
bilden; im Wege eines Beispiels zeigt die Kurve eine mittlere Kennlinie
C1, mit der der Index V/Findex = 45 verbunden
ist.
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Das
Verhältnis
V/Findex legt entsprechend durch lineare
Interpolation eine einzige der Kennlinien, die zu der FC-Gruppe
gehört,
fest.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht das Verfahren zur automatischen Regelung des Motors
des Schussspularmes der Schusszufuhrvorrichtung darin, dass innerhalb
der FC-Gruppe und entsprechend des Schlupfes besagten Motors, die Kennlinie
gewählt
wird, deren Index V/Findex zu den gegenwärtigen Betriebsbedingungen
besagter Schusszufuhrvorrichtung korrespondiert.
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Die
Vorrichtung, die schematisch im Wege von Funktionsblöcken in 2 gezeigt
ist, ist gemäß der Erfindung
für diesen
Zweck vorgesehen; besagte Figur stellt die Schusszufuhrvorrichtung
P dar, die aufweist: den Schussspularm BR nach der Art eines Windrades,
der durch einen Motor MO vom Typ einer 3-Phasenassynchonmaschine angetrieben
wird, welcher geeignet ist, auf die Trommel der Schusszufuhrvorrichtung
P eine Vielzahl von Wicklungen des Fadens F aufzuwickeln, wobei
diese Wicklungen eine Schussreserve RT festlegen; einen ersten Sensor
H, typischerweise einen Magnetsensor, der für den Durchgang eines Magneten
M empfindlich ist, wobei der Magnet M von einem Flügelrad VO,
das mit dem Arm BR verbunden ist, getragen wird; und einen zweiten
Sensor Y, zum Beispiel einen piezoelektrischen Sensor, der am Ausgang
der Schusszufuhrvorrichtung P angeordnet ist, und der auf den Durchgang
der Wicklungen, welche sich von der Trommel TA der Schusszufuhrvorrichtung
P abwickeln, empfindlich ist. Der erste Sensor H erzeugt ein gepulstes Signal
WSP bei jedem Durchgang des Magneten M und der zweite Sensor Y erzeugt
ein gepulstes Signal UWSP beim Durchgang jeder Wicklung, die sich
von der Trommel TA abwickelt.
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Beide
der besagten Signale werden zu einem Überwachungs-Mikrokontroller MC gesandt, der mit
der Synchronisationsgeschwindigkeit des Motors MO korrespondiert.
Ein logischer Block 2a verarbeitet nur das Signal WSP weiter
und leitet ein Signal nr (numerische Variable) ab, das zur tatsächlichen
Rotationsrate des Motors MO korrespondiert, wobei nr = 60/Δt gesetzt
wird, wobei Δt
das Zeitintervall zwischen den zwei letzten und nachfolgenden Impulsen des
Signals WSP repräsentiert.
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Wie
deutlich in der Figur gezeigt, werden die zwei Signale ns und nr
zu den entsprechenden Tiefpassfiltern 1–2 gesandt, von denen
die korrespondierenden gefilterten Signale nsf und nrf ausgegeben werden.
Besagte gefilterte Signale werden in einem nachfolgenden funktionellen
Block weiterverarbeitet, der einen Schlupfdatenwert slip erhält, wobei: slip = (nsf – nrf/nsf).
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Das
Schlupfsignal oder Datenwert slip wird dann zu einem Block 4 gesandt,
der als ein Differenzwertbildner arbeitet und den Subtraktionswert slip-(slip-ref) bildet,
den er durch Ausgabe einer Variable error erreicht, wobei slip-ref
ein Referenz-Koeffizientwert ist, dessen Wert zwischen 0,04 und
0,1 liegt und der entsprechend der Dimensionen des Motors MO und
dem Grad der maximalen Erhitzung, die für die Schusszufuhrvorrichtung
P erlaubt ist, gewählt wird
und der für
niedrigere Erwärmungstemperaturen und
größere Motoren
kleiner ist.
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Die
error-Variable, die am Ausgang des besagten Differenzwertbildner-Blockes 4 vorhanden
ist, legt den Eingangsdatenwert eines konventionellen PID (proportional
+ integral + differential) Reglerblockes 5 fest, weitgehend
genutzt um insbesondere lineare Systeme zu regeln, dessen Ausgangssignal,
in numerischen Gliedern, den numerischen Index V/Findex repräsentiert,
der ge nutzt wird, die Kennlinie zu selektieren, mit der der Motor
MO zu versorgen ist.
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Ein
nachfolgender funktionaler Block 6 erzeugt den Effektivwert
der Spannung V, die an den Motor MO anzulegen ist, wobei der Block 6 am
Eingang sowohl den numerischen Weit des Indexes V/Findex als
auch das Signal erhält,
das mit der Synchronisationsgeschwindigkeit ns korrespondiert (welche
proportional zur Versorgungsfrequenz und zur Anzahl der Polpaare
ist). Dann erzeugt ein nachfolgender Block 7, beginnend
mit dem Signal, das die Spannung V repräsentiert, und mit dem Signal
ns, das zur Synchronisationsgeschwindigkeit korrespondiert, einen
Satz von drei Niederspannungssignalen r-s-t, welche der nachfolgende
Block 8 – der
die Leistungssektion des Inverters repräsentiert – in die Spannungs- und Strompegel überträgt, die
geeignet sind, die Anschlüsse
R-S-T des Asynchronmotors MO anzusteuern.
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Ohne
das Konzept der Erfindung abzuändern,
können
die Details der Ausführung
und der Ausgestaltungen natürlich
umfassend geändert
werden im Hinblick auf das, was beschrieben und dargestellt wurde
im Wege eines nichtbeschränkenden Beispiels,
ohne hierbei den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Insbesondere
können
die Funktionsblöcke 3, 4, 5, 6 und 7 durch
verdrahtete Logiksysteme (Hardware) und durch Programmierungen eines
digitalen, mikroprozessorbasierten Regelsystems (Software) bereitgestellt
werden.
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Wenn
technische Merkmale, die in irgendeinem Anspruch erwähnt sind,
von Referenzzeichen gefolgt werden, sind diese Referenzzeichen allein zum
Zweck der Erhöhung
der Verständlichkeit
der Ansprüche
einbezogen worden und entsprechend haben solche Referenzzeichen
keine einschränkende
Wirkung für
den Schutzbereich jedes Elements, das im Wege eines Beispiels durch
solch ein Referenzzeichen gekennzeichnet ist.