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Steuerschaltung zur Regelung von Gleichstrommotoren in Leonardschaltung
Die Erfindung geht aus von einer Steuerschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit
von Gleichstrommotoren in Leonardschaltung innerhalb eines großen Geschwindigkeitsbereiches.
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Bei der Herstellung von Stahlblechen ist es allgemein üblich, den
Stahl dadurch auf die gewünschte Dicke zu bringen, daß man ihn in Form eines Streifens
durch ein Tandemwalzwerk führt, das aus einer Anzahl von Walzen besteht, die den
Streifen gleichzeitig erfassen und seine Stärke verringern. Jedes Walzenpaar wird
von einem Gleichstrommotor angetrieben, dessen Geschwindigkeit vom Stillstand bis
zur normalen Arbeitsgeschwindigkeit durch Einstellen seiner Felderregung und durch
Änderung der an seinen Anker gelegten Spannung geregelt wird. Die Anker der Antriebsmotoren
sind mit einer gemeinsamen Verbindungsschiene verbunden, die von einem veränderlichen
Hauptspannungserzeuger oder einer Anzahl solcher Strom erhält. Im Betrieb solcher
Tandemstreifenwalzwerke wird eine solche Spannung an die Motoren gelegt, daß, während
der Anfang des Streifens durch das Walzwerk hindurchgezogen wird, durch geeignete
Erregung des Hauptspannungserzeugers eine Geschwindigkeit von etwa ioo/o der normalen
Arbeitsgeschwindigkeit
erzeugt wird. fach Einführen des Streifens
in das Walzwerk wird die Spannung des Hauptgenerators erhöht, um gleichzeitig die
Motoren auf normale Arbeitsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Nach Durchlaufen des
Streifens durch das Walzwerk und beim Einführen eines neuen Streifens werden die
Motoren gleichzeitig von der normalen auf die Einführungsgeschwindigkeit durch Ankerspannungsregelung
verlangsamt.
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Es wurde festgestellt, daß während der Einführungs-, Beschleunigungs-
und Verlangsamungszeiten des Walzbetriebes ein bedeutender Verschleiß an Streifen
durch übermäßigen Zug auftritt. Dieser Verschleiß wird dadurch verursacht, daß die
erwünschten Geschwindigkeiten der Walzenmotoren untereinander nicht eingehalten
werden, was durch weitgehende Veränderung der Geschwindigkeitsregelung der Motoren
innerhalb des von der Einführungsgeschwindigkeit bis zur Arbeitsgeschwindigkeit
gehenden Geschwindigkeitsbereiches bewirkt wird.
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Ein Gleichstrommotor, der bei einer Geschwindigkeit entsprechend der
normalen Arbeitsgeschwindigkeit des Walzwerkes einen Geschwindigkeitsregelbereich
von r bis 2 % aufweist, kann bei einer Geschwindigkeit entsprechend der Einführungsgeschwindigkeit
des Walzwerkes einen Geschwindigkeitsregelbereich von 2o bis 4o o/o aufweisen. Diese
Änderung ist dadurch bewirkt, daß der Ohmsche Spannungsabfall des Ankers bei einem
gegebenen Ankerstrom innerhalb des gesamten Geschwindigkeitsbereiches ziemlich gleich
ist. Ein gegebener Ohmscher Spannungsabfall stellt daher bei den geringen, für langsame
Geschwindigkeiten benötigten Ankerspannungen einen viel höheren Prozentsatz der
Ankerspannung dar, als dies bei höheren Ankerspannungen der Fall ist.
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Des weiteren ist zu beachten, daß die Motorgeschwindigkeit beeinträchtigt
ist durch die feldschwächende Wirkung der Windungen der Ankerwicklung, die bei der
Kommutierung durch die Bürstenkurzgeschlossen sind. DieseFeldschwächung ändert sich
beinahe direkt mit der Geschwindigkeit und Belastung mit Ausnahme bei geringeren
Geschwindigkeiten, bei denen er fast bedeutungslos ist. Die Feldschwächung wirkt
dem Ankerspannungsabfall und damit der Motorgeschwindigkeit entgegen, weil sie die
Motorgeschwindigkeit zu steigern sucht, während der Ankerspannungsabfall die Motorgeschwindigkeit
zu verlangsamen sucht.
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Um bei der Leonardschaltung eine von der Belastung unabhängige und
demgemäß nur durch die Stellung des Steuerschalters des Leonardgenerators bedingte
Drehzahl des zu regelnden Motors zu erzielen, kann man den Generator durch eine
Hauptstromwicklüng kompensieren. Eine vollkommene Kompoundierung läßt sich indes
nur für eine bestimmte Drehzahl des Motors erreichen. Außerdem machen sich die Erscheinungen
der Remanenz und der Ankerrückwirkung störend bemerkbar. Um diese Schwierigkeiten
zu beseitigen, hat man bereits vorgeschlagen, in Reihe mit dem zu regelnden Motor
und dem ihn speisenden Generator einen Zusatzgenerator zu schalten, der eine der
Spannung des Generators entgegengerichtete Spannung liefert. wobei die Erregung
des Generators in Al)h<ingigkeit von der Ankerspannung erfolgt. Um die Auswirkungen
der Remanenz über einen weiten Drehzahlbereich zum Verschwinden zu bringen, wird
hierbei vorgeschlagen, die Fremderregungswicklung des Zusatzgenerators mittel- oder
unmittelbar an die Ankerspannung des zu regelnden Motors zu legen, wobei eine Regeleinrichtung
in diesen Erregerkreis eingefügt wird, die mit der Änderung der Drehzahl des Motors
die Erregerspannung des Zusatzgenerators im Sinne einer der jeweiligen Drehzahl
entsprechenden Kompoundierung ändert. Als Regeleinrichtung im Fremderregungskreis
des Zusatzgenerators ist hierbei ein Regelwiderstand vorgesehen, dessen Einstellglied
mit der Regeleinrichtung des Hauptgenerators gekuppelt ist und bei einer Regelung
im Sinne einer Verstärkung des Hauptgeneratorfeldes den Erregerwiderstand des Zusatzgenerators
im Sinne einer Schwächung des magnetischen Feldes des Zusatzgenerators verstellt.
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Die Erfindung bezweckt nun, in Weiterbildung des obigen Vorschlages
eine Steuereinrichtung zu schaffen, welche alle die die Motorgeschwindigkeit beeinflussenden
Größen derart ausgleicht, daß eine gleichbleibende Geschwindigkeitsregelung für
die Motoren innerhalb eines gewünschten Geschwindigkeitsbereiches erzielt wird,
oder aber eine erwünschte veränderliche Geschwindigkeitsregelung innerhalb eines
vorbestimmten Geschwindigkeitsbereiches der Motoren möglich ist.
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Die Erfindung geht hierbei aus von Leonardschaltungen mit fremderregtem
Generator und fremderregtem Arbeitsmotor sowie einem in Reihe mit dem Arbeitsmotor
liegenden Zusatzgenerator, dessen Erregerspannung in Abhängigkeit von der Generatorerregung
im Sinne einer der jeweiligen Motordrehzahl entsprechenden Kompoundierung geändert
wird. Gemäß der Erfindung sind im Erregerkreis des Zusatzgenerators, dessen-Spannung
finit der Spannung des Generators gleichgerichtet ist, Widerstände angeordnet, die
mit Regelwiderständen des speisenden Generators und des Arbeitsmotors derart verbunden
sind, daß bei einer Regelung im Sinne der Verstärkung des Generatorfeldes das Feld
des Zusatzgenerators geschwächt, bei einer Regelung der Erregung des Arbeitsmotors
das Feld des Zusatzgenerators mit diesem gleichsinnig beeinflußt wird.
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Fig. r zeigt schematisch eine Steuerschaltung für einen Antriebsmotor
nach der Erfindung; Fig. 2, 3 und .4 sind weitere Ausführungsformen der Erfindung;
Fig.5 zeigt eine graphische Darstellung der Arbeitsweise der Ausführungsform nach
Fig. 4.; Fig. 6- ist eine schematische Darstellung eines Teiles eines Tandemstreifenwalzwerkes,
bei dem die Ausführungsform nach Fig.4 angewendet ist, und zwar für zwei Antriebsmotoren
und einen Aufwickelmotor.
Fig. i zeigt den Hauptgenerator io, der
von einem Motor 12 oder einer anderen kraftübertragenden Vorrichtung angetrieben
wird. Der Anker eines Motors 14 ist mit einem Zusatzgenerator 16 über die Leiter
27 und 28 mit dem Hauptgenerator 1o in Reihe geschaltet. Die Feldwicklung 36 des
Zusatzgenerators 16 ist in Abhängigkeit vom Ankerstrom des Motors 14 erregt, während
der Motor 14 und der Hauptgenerator fremderregt sind. Der Zusatzgenerator 16 kann,
wie dargestellt, durch den Antriebsmotor 12 oder in anderer Weise angetrieben werden.
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Die Schaltung gemäß Fig. 2 ist im wesentlichen die gleiche wie die
in Fig. i mit der Ausnahme, daß für den Zusatzgenerator 16 zwei Feldwicklungen vorgesehen
sind.
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Die zweite Feldwicklung 56, die der Wicklung 36 entgegenarbeitet,
liegt, wie die Wicklung 36, im Nebenschluß zu der Wendepolwicklung 38; ihr Strom
ist mit Hilfe eines justierwiderstandes 58 so eingestellt, daß das jeweils gewünschte
Niveau der Regelung erreicht wird. Demgemäß sind die Regler 44 und 48 so geschaltet,
daß sie im umgekehrten Sinne wirken.
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In Fig. 3 sind beide Feldwicklungen des Zusatzgenerators 16 mit getrennten
Widerständen versehen. Auch in diesem Falle ist also eine zusätzliche Feldwicklung
56 vorgesehen. Ihr Strom ist in diesem Fall mittels des Reglers 48 regelbar, während
der Stromkreis der Feldwicklung 36 nur den Regelwiderstand 4..4 als einzige Verstellmöglichkeit
enthält.
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In der Schaltung nach Fig. 4 wird die Erregung des Zusatzgenerators
16 in Abhängigkeit von der Erregung und vom Ankerstrom des Motors 14 beeinflußt.
Der Motor 14 ist mit einer Reihenfeldwicklung 18 mit einem regelbaren Nebenschlußwiderstand
2o versehen.
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In Fig.5 ist graphisch die Beeinflussung der Regelung durch den Zusatzgenerator,
den Ankerspannungsabfall, die Feldschwächung und durch die in der Anordnung gemäß
Fig. 4. vorgesehene Reihenfeldwicklung dargestellt.
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In der Schaltung nach Fig.6 treiben die Motoren 14, 14', 14' die Walzensätze
22 und 22' und den Achswickler 23 (Haspel) an, während das Band 24 durch die Tandemwalze
läuft. Jeder Motor wird von einer Einrichtung, wie in Fig. 4 dargestellt, gesteuert.
Der Achswicklermotor i--l" hat außerdem einen Stromregler 26, der im wesentlichen
eine gleichbleibende Leistung des Achswicklermotors und daher einen ziemlich gleichbleibenden
Zug im Band aufrechterhält.
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Wie in Fig. i dargestellt ist, wird die Feldwicklung 29 des Hauptgenerators
io in Serienschaltung mit einem Widerstand 3o an eine beliebige Gleichstromduelle
angeschlossen, die durch die Leiter A-B dargestellt ist. In gleicher Weise ist die
Feldwicklung 32 des Motors 14 an die Leiter .-1-ß über den Widerstand 34 angeschlossen.
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Die Feldwicklung 36 des Zusatzgenerators 16 wird entsprechend dem
Ankerstrom des Motors erregt. Der Stromkreis für die Feldwicklung 36 reicht von
einer Seite der Wendepolwicklung 38 des Motors 14 über den Leiter 40, die Feldwicklung
36, den Leiter 42, einen Widerstand 44, den Leiter 46, einen Widerstand 48 und den
Leiter 5o bis zur anderen Seite der Wendepolwicklung 38. Die Regelwiderstände
30 und 44 sind, wie dargestellt, mechanisch miteinander verbunden und können
gleichzeitig durch das Element 52 betätigt werden. Die elektrischen Verbindungen
der Widerstände 30 und 44 sind so beschaffen, daß sie den tatsächlichen
Widerstand des Regelwiderstandes 3o erhöhen, während sie den tatsächlichen Widerstand
des Regelwiderstandes 44 herabsetzen. In gleicher Weise sind die Regelwiderstände
34 und 48 mechanisch miteinander verbunden, so daß sie gleichzeitig vom Element
54 betätigt werden können. Die elektrischen Verbindungen der Regelwiderstände 34
und 48 sind derart, daß sie gleichzeitig den tatsächlichen Widerstand der beiden
Regelwiderstände erhöhen oder herabsetzen.
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In der Schaltung nach Fig. i verändert der Zusatzgenerator 16 die
Spannung für den Anker des Motors 14 gemäß dem Ankerstrom des Motors, um den Spannungsabfall
im Motoranker und die regelnde Wirkung der Feldschwächung des Motors infolge der
kurzgeschlossenen Ankerwindungen während der Kommutierung aufzuheben. Der Einfluß
des Abfalles im Anker wird darin bestehen, die Drehzahl des Motors herabzusetzen.
Die Feldschwächung wird die Motordrehzahl wegen der Abnahme der Erregung des Motors
14 zu erhöhen versuchen.
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Die feldschwächende Wirkung infolge der kurzgeschlossenen Windungen
der Ankerwicklung während der hommutierung ist verhältnisgleich der Drehzahl des
Motors 14. Für eine bestimmte Last ist es daher erforderlich, die Zusatzspannung
herabzusetzen, wenn die den Anker erregende Spannung, die der Hauptgenerator io
liefert, erhöht wird. Die erzeugte Spannung des Hauptgenerators io wird durch Betätigung
des Regelwiderstandes 30 erhöht und hier, wie bereits beschrieben, gleichzeitig
der Regelwiderstand 44 verstellt, wodurch der wirkliche Widerstand des Stromkreises
der Feldwicklung 36 des Zusatzgenerators 16 erhöht wird. Somit nimmt die Spannung
des Zusatzgenerators 16 ab, wenn die Spannung des Motors 14 erhöht wird, um für
die erhöhte feldschwächende Wirkung bei höherer :Motordrehzahl einen Ausgleich zu
schaffen.
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Der Drehzahlbereich oder die Grunddrehzahl des Motors 14 kann durch
richtige Regelung des Feldwiderstandes 34 bestimmt werden. Wenn der Widerstand 34
vergrößert wird, steigt die Grunddrehzahl des Motors 14 infolge der Abnahme der
Erregung der Hauptfeldwicklung 32. Da die feldschwächende Wirkung verhältnisgleich
der Drehzahl des Motors 14 ist, muß die Spannung des Zusatzgenerators 16 bei Zunahme
der Drehzahl des Motors 14 abnehmen. Dies wird durch gleichzeitige Betätigung des
Widerstandes 48 durch den Regelwiderstand des Feldes 34 erreicht, wie bereits früher
beschrieben.
In der ähnlich wirkenden Schaltung gemäß Fig. 2 ist
der Zusatzgenerator 16 mit einer weiteren Feldwicklung 56 versehen, die mit dem
Regelwiderstand 58 verbunden und entsprechend dem Spannungsabfall in der Wendepolwicklung
38 des Motors 14 erregt wird. Die Feldwicklungen 36 und 56 sind gegeneinandergeschaltet.
Bei dieser Einrichtung sind die Regelwiderstände 30 und 44 so verbunden,
daß sich ihre tatsächlichen Widerstände gleichzeitig erhöhen oder verringern, während
der Regelwiderstand 34 zunimmt, wenn der Regelwiderstand 48 abnimmt. Wenn somit
die Spannung des Ankers des Generators 1o infolge der Abnahme des Regelwiderstandes
30 zunimmt, wird auch die Erregung der Feldwicklung 36 des Zusatzgenerators
16 erhöht. Die Erhöhung der Drehzahl des Motors 14 infolge einer Zunahme des tatsächlichen
Widerstandes des Regelwiderstandes 34. wird durch Abnahme des tatsächlichen Widerstandes
des Regelwiderstandes 48 ausgeglichen.
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Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung arbeitet im wesentlichen ebenso
wie die nach Fig. 2 mit den gegengeschalteten Feldwicklungen 36 und 56 des Zusatzgenerators
16. Hier ist jedoch in den Stromkreis der Feldwicklung 56 des Zusatzgenerators der-Regelwiderstand
d8 geschaltet. Die Regelwiderstände 34 und 48 sind so verbunden, daß sie gleichzeitig
ihre tatsächlichen Widerstände erhöhen oder verringern, wobei eine Abnahme der Zusatzgeneratorspannung
eine Abnahme der Erregung des Motors 14 zur Folge hat. Die Regelwiderstände
30 und 44 sind derart verbunden, daß, wie bereits beschrieben, gleichzeitig
ihr tatsächlicher Widerstand erhöht oder verringert werden kann.
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Gemäß Fig. 4 ist der Motor 14 zusätzlich mit einem Reihenfeld 18 versehen,
das durch den Nebenwiderstand 2o so geregelt werden kann, daß die Feldschwächung
nahezu aufgehoben wird. Der Feldschwächungseinfluß ist bei niederen Motordrehzahlen
sehr gering und steigt geradlinig mit der Motordrehzahl an. Die Reihenfeldwirkung
ist auch gering bei niederen Motordrehzahlen und verändert sich ebenfalls verhältnisgleich
mit der Motordrehzahl, ist aber größer als die Feldschwächung bei niederen Motordrehzahlen.
Bei richtiger Wahl des Reihenfeldes ist die Regelung der Zusatzgeneratorspannung
bei jeder Motordrehzahl über den gesamten Drehzahlbereich von annähernd io% normaler
Drehzahl bis zur höchsten Motordrehzahl möglich.
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In Fig.5 sind die zugehörigen Kennlinien in Abhängigkeit von der Drehzahl
dargestellt. Man sieht, daß der Spannungsabfall im Anker, der nach unten aufgetragen
ist, und ebenso der entgegenwirkende Einfluß des Zusatzgenerators (nach oben aufgetragen)
über den gesamten Drehzahlbereich praktisch konstant bleiben. Der Einfluß der Feldschwächung
ist bei io% der Drehzahl gering und nimmt dann mit der Spannung des Motors 1.4 zu.
Die Wirkung der Reihenfeldwicklung ist bei 1o % der Drehzahl größer als die der
Feldschwächung und steigt ebenfalls in praktisch geradlinigem Verlauf mit der Drehzahl
an. Es ergibt sich demnach aus den einzelnen Einflüssen eine resultierende Wirkung
entsprechend einer schwach nach unten geneigten Kennlinie.
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In Fig. 6 ist die Steuereinrichtung gemäß Fig. q. dargestellt, die
auf jeden der Walzenantriebsmotoren 14 und 1q.' einer Tandembandstraße und auf den
Haspelmotor 1q." angewendet wird. Jede Walze arbeitet mit ihrem zugeordneten Motor
in der Betriebsweise, die vorstehend für die Anordnung nach Fig. q. geschildert
wurde. Außer der Regeleinrichtung für den Motor 14 ist der Haspelmotor 1q." mit
einem Stromregler 26 versehen, der so arbeitet, daß er eine im wesentlichen gleichbleibende
Last für den Motor 1q." unterhält, um die Rolle 23 gleichmäßig aufzuwickeln.
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Der Regler 26 umfaßt einen festen Anker 57 mit einer mit ihm verbundenen
Wicklung 59. Die Wicklung 59 wird von den Leitern A-B über einen Regelwiderstand
6o erregt. Ein beweglicher Anker 62 ist angebracht, um mit dem festen Anker 57 zusammenzuwirken.
Letzterer trägt eine Wicklung 6q., die entsprechend dem Ankerstrom des Motors 14."
erregt wird, und zwar durch eine Reihenschaltung mit einem Regelwiderstand 66, der
an die Wendepolwicklung 38" des Motors 14." angeschlossen ist. Der bewegliche Anker
62 bringt entgegen dem Einfluß einer Feder 7o den beweglichen Kontakt 72 in Berührung
mit dem festen Kontakt 7q.. Durch die Kontakte 72 und 74 wird der in Reihe mit der
Hauptfeldwicklung 32" des Motors geschaltete Widerstand 76 überbrückt, wodurch die
Erregung des Motors 1q." erhöht wird, der bestrebt ist, seine Drehzahl und das Moment
zu verringern, das er auf die Rolle 23 ausübt. Hierdurch wird auch der Zug auf das
Band 24 herabgesetzt. Die Zunahme der Erregung des Motors 1¢" verringert seinen
Ankerstrom, die Kontakte 72 und 74 trennen sich, und die Erregung des Motors 1q."
wird verringert, weshalb seine Drehzahl ansteigt.
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Die Feldregelung erfolgt hier also in Abhängigkeit vom Ankerstrom.
Die beschriebene Steuerschaltung eignet sich sowohl für Ein- als auch für Mehrmotorenantriebe
von Arbeitsmaschinen u. dgl.