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Einrichtung zur Gleichlaufregelung von mehreren über gittergesteuerte
Gleichrichter gespeisten Gleichstrommotoren Beim Antrieb von Anlagen mit mehrerf-n
Motoren, die in Abhängigkeit voneinander vorgeschriebene Drehzahlen halten müssen,
werden an die Regelung besondere Anforderungen. gestellt. Man verwendet für solche
Antriebe wegen der guten Regelmöglichkeit über Gleichrichter gespeiste Gleichstromkollektormotoren,
bei, denen die Regelung durch die Gittersteuerung der Gleichrichter erfolgt. Zu
diesem Zwecke wird eine aus der Drehzahl des Motors abgeleitete Istgröße mit einer
für die ganze Anordnung festgelegten- Sollgröße verglichen. Diese Größen können
auf verschiedene Weise erhalten werden. In neuester Zeit hat es sich als zweckmäßig
herausgestellt, zur gemeinsamen Regelung der einzelnen Motoren eine elektrische
Verbindung, die sogenannte Leitsammelschliene zu schaffen, auf die eine von der
Sollgröße abhängige elektrische Größe gegeben wird. Ältere Ausführungen stellten
die Verbindungen zwischen den einzelnen Motoren mechanisch her. Dies hat sich aber
aus baulichen Gründen als Nachteil erwiesen. Die elektrische Leitsamme'lschiene
kann nun auf verschiedene Weise gespeist werden.
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So hat man vorgeschlagen, die Drehzahl jedes einzelnen Motors mit
der Drehzahl eines besonderen Leitmotors zu vergleichen und die dadurch entstehende
Drehzahldifferenz als Regelgröße auszunutzen. Mit -dem Leitmotor und den Einzelmotoren
sind als Frequenzumformer arbeitende Asynchronmaschinen gekuppelt, deren Rotoren
elektrisch über die Leitsammelschiene verbunden
sind.. Bei der gewünschten
Drehzahl besitzt die Regelgröße Netzfrequenz, bei einer Abweichung davon ändert.
sich die Frequenz und beeinflußt damit die Gittersteuerung. Diese Frequenzänderungen
wirken sich als allmählich sich vergrößernde Phasenänderungen aus, die nacheilend
oder voreilend sein können, je nachdem, ob die Drehzahl höher oder niedriger als
die Solldrehzahl ist. Hierdurch ist es möglich., die Gittersteuerung zu beeinflussen,
wobei darauf geachtet werden muß, daß diese Beeinflussung im richtigen Sinn erfolgt,
daß also bei zu hoher Drehzahl die Beaufschlagung des Gitters verringert und bei
zu niedriger Drehzahl erhöht werden muß. Damit die Regelung in richtiger Richtung
erfolgt, d. h., daß bei der Erhöhung der Drehzahl die Beaufschlagung der Gitter
verringert, bei Erniedrigung vergrößert wird, ist es bei dieser Ausführung nötig,
die Frequenz der Spannung an der Leitsammelschiene übersynchron zu machen, man muß
also die Rotoren entgegengesetzt zum Netzdrehfeld laufen lassen.
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Ferner ist vorgeschlagen worden, für die Gittersteuerung Gleichstrom
zu verwenden, der selbst wieder durch gittergesteuerte Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz
gewonnenwird, wobei dieGittersteuerung zur selbständigen Regelung der einzelnen
Motoren dient. Hierbei muß auch die Regelgröße selbst mit Gleichstrom gewonnen werden.
Zu diesem Zwecke ist eine Kontakteinrichtung mit dem Frequenzumformer gekuppelt,
die die zusätzliche Gleichstromgröße zur Regelung der Gleichrichter liefert. Diese
Ausführung ist mechanisch kompliziert und erfordert weitere Gleichrichter für die
Regelung.
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Die der Leitsammelschiene zugeführte Spannung kann verschiedener Art
sein. Bei den bisher beschriebenen Verfahren wird ihr die im Rotor des Leitmotors
auftretende Frequenz zugeführt. Diese wird dann wiederum CIemROtor der mit denEinzelmotoren
gekuppelten Asynchronmaschinen zugeführt. Im Stator entsteht dann die Regelgröße,
die bei Solldrehzahl Netzfrequenz hat. Man kann nun: auch den Leitmotor mit einer
Synchronmaschine kuppeln und mit dieser Frequenz die Leitsammelschiene speisen.
Mit den Einzelmotoren wird dann ebenfalls eine Synchronmaschine gekuppelt, deren
Frequenz direkt proportional der Drehzahl ist. Bei Übereinstimmung von Ist- und
Sollfrequenz haben beide die gleiche Frequenz.- Die Vektoren der zugehörigen Spannungen
bleiben unverändert. Bei Abweichungen davon ändert sich die Frequenz des zum betreffenden
Einzelmotor gehörenden Spannungsvektors, und er beginnt sich gegenüber dem andern
Spannungsvektor zu drehen. Dem Regelorgan führt man nun die Differenz der beiden
Vektoren zu. Bleibt diese konstant, so ist die -Regelgröße ebenfalls konstant, und
die Beaufschlagung des Gitters bleibt unverändert. Bei Änderung der Drehzahl ändert
sich auch die Phasernlage des Differenzvektors und die Gitterbeaufschlagung mit
ihm. Hierbei muß nun darauf geachtet werden, daß die Änderung in der richtigen Richtung.
erfolgt, daß also bei Erhöhung der Dreh: zahl die Beawfschlagung verringert, die
Spannung des Differenzvektors also nacheilen muß, bei Verringerung der Drehzahl
die Spannung dagegen mehr voreilen muß. Dies erreicht man durch eine entsprechende
Auslegung,der Spannungen, so daß beim zu langsamen Lauf und Nacheilen des vom Einzelmotor
erzeugtenSpannungsvektors derDifferenzvektor voreilt. Es ist also nötig, daß der
Differenzvektor zwischen go und 27o° gegenüber der Leitfrequenz verschoben ist (s.
Fig. 3), wobei der Spannungsvektor der Leitfrequenz größer sein muß als der
vom Motor erzeugte Spannungsvektor. Durch Änderung des Größenverhältnisses beider
Vektoren kann man dabei auch die Abhängigkeit der Winkeländerungen zwischen ihnen.
beeinflussen, so daß damit eine Einstellung der Regelkennlinie möglich ist. Dies
ist bei den vorher beschriebenen Verfahren nicht möglich, da bei ihnen die in der
mit dem Einzelmotor gekuppelten Maschine erzeugte Spannung selbst die Regelgröße
ist, ihre Phasenlage also unabhängig von der Größe ist. Bei dieser Ausführung mit
synchroner Leitfrequenz ist aber beim Anlauf noch keine Übereinstimmung der Frequenz
vorhanden, so daß kein geregeltes Hochfahren möglich-äst.
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Erfindungsgemäß wird nun eine Anordnung gebildet, bei der sowohl ein
geregeltes Hochfahren als auch eine Einstellung der Regelkennliriie durch Änderung
des Spannungsverhältnisses der die Regelgröße bildenden Spannungsvektoren durch
geführt werden kann. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Komponenten anders gebildet.
Es wird nicht die Differenz zwischen der Leit- und .einer der Motordrehzahl entsprechenden
Frequenz gebildet, sondern es wird die Netzfrequenz mit der Summe aus der Leitfrequenz
und der der Motordrehzahl entsprechenden Frequenz. verglichen. Es werden also zwei
Komponenten benutzt, von denen die eine vom speisenden Netz über einen Transformator
geliefert wird und die zweite aus der Summe zweier Frequenzen entsteht, von denen
eine aus einer Lei& sammelschiere mit untersynchroner Frequenz, die über einen
Hilfsfrequenzumforrner aus dem Netz gespeist wird, und die andere aus einer mit
dem Motor gekuppelten, ebenfalls als Frequenzumformer geschalteten Asynchronmaschine
geliefert wird. Der Leitsammelschiene kann hierbei die im Rotor des ans Netz unmittelbar
angeschlossenen Hilfsfrequenzumformers entstehende Frequenz zugeführt werden. Diese
Frequenz fst kleiner als die Netzfrequenz. In diesem Falle muß also im Gegensatz
zu den bekannten Ausführungen der Rotor des Hilfsfrequenzumformers gleichsinnig
mit dem im Stator vom Netz erzeugten Drehfeld umlaufen. Die Rotoren der an die einzelnen
Motoren angeschlossenen Frequenzumformer werden von dieser Leitsammelschiene mit
der untersynchronen Frequenz gespeist. Hierdurch entsteht im Stator bei Übereinstimmung
von Ist- und Sollfrequenz die Netzfrequenz. Die so entstehende Komponente der Regelgröße
wird nun zu der vom speisenden Netz gelieferten ersten Komponente addiert. Ihre
Summe ist die Regelgröße. Das zugehörige
Vektorddiagramm zeigt
Fig. 3, in welchem mit 0A die vom Netz herrührende erste Komponente und mit
AB die zweite Komponente dargestellt ist. Dabei muß, wie bereits erwähnt,
im Normalbetrieb der Winkel a zwischen 0A und AB
zwischen 9o und 27o°
betragen, sowie 0A > AB'
sein. OB ist die- Regelgröße. Man erkennt
aus der Fig. 3, daß bei Vergrößerung des Winkels a zwischen den beiden Komponenten,
also wenn AB
eine geringere Frequenz als die Netzfrequenz besitzt,
AB sich allmählich nach AB' dreht, der Phasenwinkel ß zwischen der
Regelgröße OB und der ersten Komponente 0A sich verkleinert (OB'),
die
Regelgröße OB also voreilt. Hierzu gehört die weitere Bedingung, daß die
vom Netz herrührende Komponente 0A größer als- die im Stator des Frequenzumformers
entstehende Komponente AB
ist. Im übrigen ist die Wahl der Größe der Komponenten
frei. Man kann dies dazu ausnutzen, die Abhängigkeit des Winkels ß vom Winkel a
zu beeinflussen. Bei kleinem Vektor AB ist die Änderung des Winkels ß bei
gleicher Änderung des Winkels a kleiner als bei großem Vektör AB, wie man
leicht aus der Fig. 3 ableiten kann. Hierdurch kann man also die Regelkennlinie
in einfacher Weise beeinflussen.
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Man kann auch, umgekehrt den Rotor von Frequenzumfo.rmern. ans Netz
anschließen und den Stator mit der Leitsammelschiene verbinden. In diesem Fall muß
der Rotor gegensinnig zum vom Netz. erzeugten Drehfeld rotieren. Auch hierbei ist
die Frequenz der Leitsammelschiene untersynchron.
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Der Anschluß der Frequenzumformer an die Motoren erfolgt zweckmäßig
über ein Hilfsgetriebe. Man kann dessen Übersetzung einstellbar machen, um hier
die Solldrehzahl der einzelnen Motoren für sich einstellen zu können.
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Ferner wird vorgeschlagen, die dem Rotor zugeführte Spannung der Leitsammelschiene
über einen Drehtransformator zu führen, so daß die Phasenlage eingestellt werden
kann. Auch hierdurch ist die Einstellung der Regelgröße der Einzelmotoren für sich
möglich. Hierdurch entsteht noch der weitere Vorteil, Unregelmäßigkeiten. in dem
von den Motoren- angetriebenen Anlagen, beispielsweise Schleifen im Walzgut währenddes
Betriebes ausgleichen zu können. Auch die vom Netz herrührende Komponente kann.
man durch Drehregler in ihrer Phasenlage einstellbar machen.
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Der die Leitfrequenz liefernde Hilfsfrequenzumformer besteht beispielsweise
aus einem ebenfalls über gittergesteuerte Gleichrichter und! Hilfstransformatoren
gespeisten Motor und einem Asynchrongenerator. Die im Rotor entstehende Frequenz
wird der Leitsammelschiene zugeführt. Dieser Motor kann hierbei auch als Antriebsmotor
in der zugehörigen Anlage verwendet werden.
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Das Anfahren der Motoren wird dadurch möglich gemacht, daß ein. weiterer
für alle Motoren gemeinsamer Drehtransformator vorgesehen ist, der über eine besondere
Anfahrsammelschiene die Regeleinrichtung speist. Hierdurch werden sowohl der Leitmotor
als auch die Einzelmotoren in gleicher Weise beeinflußt. Der Anlauf vollzieht sich
dann in folgender Weise: Bei noch offenen Motorschaltern wird der zum Hilfsfrequenzumformer
gehörende Drehregler (7 in Fig. i) auf kleine Drehzahl eingestellt. Dann wird jeder
Motor zunächst einzeln zugeschaltet und mit Hilfe seines die vom Netz herrührende
Regelkomponente einstellenden Drehreglers (io in Fig. i) auf die Leitsammelschiene
synchronisiert. Sind auf diese Weise alle Antriebsmotoren untereinander synchron,
so können mit dem Drehregler 7 alle zusammengehörenden Antriebsmotoren gleichzeitig
und in, einem vorher festgelegten Drehzahlverhältnis hochgefahren rv@arden.
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Zu berücksichtigen .ist bei der Erfindung noch, daß beim Übergang
der Antriebsmotoren auf Leerlauf kurzzeitig eine elektrische Bremsung der Motoren
erfolgen muß, weil andernfalls die Regulierung keine Drehzahlverminderung veranlassen
kann. Durch die Verwendung der Phasenregelung wird nämlich der Phasenunterschied
dann so groß, daß eine Umkehrung der Wirkung der Regelung möglich ist. Dies kann
nur durch eine Bremsung verhindert werden. Erfindungsgemäß wird diese so ausgeführt,
daß Einanodenwechselrichter vorgesehen werden., die die Leistung vom Motor abziehen
und ins Wechselstromnetz zurückliefern. Dadurch sinkt die Drehzahl wieder, und es
kann die normale Regelung weiterhin in Betrieb bleiben. Hat man Gleichrichter mit
Saugdrosselspulen, so braucht man hierbei nur so viel Einanodenwechselrichtergefäße
zu verwenden, wie zu einem Zweig der Saugdrosselspule gehören. Bei einer zweipoligen
Saugdrosselspule hat jeder Zweig' drei Anoden. Daher müssen drei Wechselrichtergefäße
vorgesehen werden. Bei einer dreipoligen Saugdrosselspule sind in jedem Zweig nur
zwei Anöden vorhanden, so daß man hierbei auch mit zwei Wechselrichtern auskommt.
Die Bremsung kann auch in bekannter Weise mit Hilfe eines Bremswiderstandes, der
als zusätzliche Belastung dient, ausgeführt werden. Die Bremseinrichtung wird beim
Auftreten von länger andauernden Drehzahlerhöhungen durch ein wattmetrisches Spannungsrelais
eingeschaltet, welches die Phasenverschiebung zwischen der vom Frequenzumformer
des Motors gelieferten Komponente (AB in Fig. 3) und der Regelgröße
OB selbst vergleicht. Wenn dieser Winkel sich dem Wert ± 9o° nähert, spricht
das Relais an und schaltet die Bremseinrichtung ein.
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Dme Fig. i bis 3 veranschaulichen den. Erfindungsgedanken. In Fig.
i ist die Schaltung der Regeleinrichtung nach dem Erfindungsgedanken für zwei Motoren
dargestellt; Fig. 2 zeigt die Bremseinrichtung mit Wechselrichtern und Fig. 3 ein
Diagramm der Regelspannungen, i sind die Gleichstrommotoren, die über Gleichrichter
z und Transformatoren 3 aus dem Drehstromnetz q. gespeist werden. Zugehörige Schalter
sind der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung
nicht dargestellt.
5 ist die Regeleinrichtung zur Gittersteuerung, die die Beaufschlagung des Gitters
und damit die dem Motor zugeführte Spannung regelt. Sie wird von einer Wechselspannung
betätigt, die aus zwei Komponenten besteht.; die erste wird von der Anfahrsammelsehiene
6 genommen, welche über den Drehtransformator 7 aus dem Drehstromnetz gespeist wird.
Über den Drehtransformator io kann die Phasenlage der ersten Komponente für jeden
Motor selbständig eingestellt werden. Die zweite .,entsteht im Stator des mit dem
Motor über ein Getriebe 23 gekuppelten Frequenzumformers B. Beide Komponenten werden
addiert und der Regeleinrichtung 5 zugeführt. Die zweite Komponente wird aus der
Leitsammelschdene 9 über den Frequenzumformer 8 gebildet. Sie entsteht aus der Summe
der an der Leitsammelschiene 9 befindlichen untersynchronen Frequenz und der in-
Rotor 8 infolge der Drehzahl des Motors i entstehenden Frequenz. Sie kann zur Einzelreg-
lierung beispielsweise zum Ausgleich von Schleifen im Walzgut während des Betriebes
durch den Drehregler 25 beeinflußt werden. Zwecks willkürlicher Änderung der Regelkenulinie
jedes Motors kann man die Größe der Spannung durch Anzapfungen am Drehregler 25
oder der Rotorwicklung des Frequenzumformers 8 (nicht gezeigt) ändern. Die untersynchrone
Frequenz der Leitsammelschiene 9 wird _ über den Hilfsfrequenzumformer i i gewonnen,
der über ein Getriebe 2q. von. dem Leitmotor 12 angetrieben und dessen. Stator an
das Drehstromnetz über den Transformator 16 angeschlossen ist. Der Leitmotor 12
wird über den Gleichechter 13 und Transformator 14 gespeist. Das Gitter der Gleichrichter
13 wird über die Regeleinrichtung 15 gesteuert. Die Steuerspannung wird hier aber
unmittelbar aus dem Drehstromnetz von der Hauptsarnmelschiene q. über den Transformator
16 -und Drehregler 7 gewonnen. Im Normalbetrieb hat die am Stator der F.requenzumformer
8 auftretende Spannung Netzfrequenz. Bei Abweichungen von der Solldrehzahl, beispielsweise
einer Drehzahlsteigerung, wird der Rotor des Frequenzumformers. 8 schneller laufen.
Dadurch steigt die Frequenz der zweiten Komponente an. Die Regeleinrichtung verringert
dann die Gitterbeaufschlagung, so daß der Motor wieder langsamer laufen muß. Die
Frequenz der zweiten. Komponente geht dann wieder auf den Normalwert zurück.
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Zam Anfahren der Motoren wird nach dem Synchronisieren die Phase der
Steuerspannung über den Drehregler 7 langsam um etwa 9o° gedreht. Der Hrlfsfrequenzumformer
i i gibt bei Stillstand im Rotor eine Frequenz ab, welche genau gleich der Netzfrequenz
ist und die sich allmählich verkleinert und, mit der anwachsenden Motorfrequenzkomponente
addiert, immer die konstante Netzfrequenz ergibt. Auf diese Weise ist ein geregeltes.
Anfahren möglich.
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Fig. 2 zeigt die Bremseinrichtung. Der Motor i wird über den Transformator
3 und die Gleichrichter 2; die hier der Übersicht halber mit dem Symbol für T rockengleichrichber
dargestellt sind, gespeist. Die Gittersteuerung ist weggelassen. Für die Gleiehrichterschaltung
ist die Schaltung mit dreipoliger Saugdrosselspule 17 dargestellt. Jeder Zweig der
Drosselspule ist also einer Doppelwicklung des. Transformators 3 zugeordnet. An
diese Wicklung ist die Bremseinrichtung angeschlossen-, die aus den Wechselrichtern
i8 und der Drosselspule i9 besteht. Sie wird bei länger andauernder Drehzahlsteigerung
durch das wattmetrische Spannungsrelais 22 und in der Fig. 2 beispielsweise den
Schalter 2o über den Auslöser 21 eingeschaltet. Man kann statt des Schalters auch
das Gitter der Wechselrichter durch das Relais 22 steuern (nicht gezeichnet). Das
Relais erhält zwei Spannungen Ui und U2 zugeführt und spricht an, unmittelbar bevor
diese den Winkel 9o° bilden. Als Spannung wird die an der Regeleinrichtung 5 entstehende
Wechselspannung und die zwischen den Ein- und Ausgangsklemmen des Stators des Frequenzumformers
8 entstehende Spannung verglichen. Fig. 3 zeigt das Vektordiagramm für die Regelspannung
zusammensetzenden Komponenten. A0 ist die Spannung an der Hilf ssammelschiene 6,
also die feststehende Spannung des Drehstromnetzes, die die erste Komponente der
Regelspannung darstellt. AB ist die zweite Regelkomponente, die unter einem
Winkel a, der zwischen 9o und 27o° liegt, zu der ersten Komponente addiert wird.
Die Regelgröße selbst ist dann die Spannung OB. Tritt nun eine Drehzahlverringerung
ein, so sinkt die Frequenz der Spannung AB. Dadurch bleibt sie hinter der
synchronen Lage AB zurück und kommt beispielsweise @in die Lage
AB'. Der Winkel a wird also größer und wächst auf ä an. Damit dreht sich
auch die Regelspannung OB, deren Winkel vom ß sich. auf ß' verkleinert. Sie
eilt also voraus und l@eaufsc'hlagt dadurch das Gitter stärker. Der Motor erhält
höhere Spannung und wird beschleunigt. Dem ,in Fig. 2 gezeigten Relais 22 werden
die Spannungen OB und AB zugeführt. Sobald bei länger andauernden
Drehzahlsteigerungen, wobei also der Vektor AB allmählich vorauseilt, der
Winkel zwischen. AB und OB nahezu 9o° wird, spricht das Relais an
und schaltet die Bremseinrichtung ein.