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Anordnung zur Steuerung eines Drehstrominduktionsmotors innerhalb
einer Folgeregelanordnung mit Hilfe vorgeschalteter Magnetverstärker Die Erfindung
stellt sich die Aufgabe, einen folgegeregelten Verstellantrieb mit einem Drehstrominduktionsmotor
zu bauen, der hinsichtlich seiner Eigenschaften den besten bekannten elektrohydraulischen
Antrieben oder Leonardantrieben gleichwertig ist. Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, daß, sobald eine Lösung der genannten Aufgabe gelingt, die betriebstechnischen
Vorteile des rein elektromotorischen Antriebes gegenüber den elektrohydraulischen
überwiegen, nämlich Wegfall des hydraulischen Mediums, der Abdichtungen, der ständigen
Wartung usw. Auch gegenüber dem Leonardantrieb bestehen dann wegen des Wegfalls
der Kollektormaschinen und deren verhältnismäßig langer Anlaufzeiten Vorteile.
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Die Erfindung verwendet einen durch Magnetverstärker gesteuerten Drehstrominduktionsmotor.
Bei einer bekannten Einrichtung wird die Drehzahl eines ständig in der gleichen
Drehrichtung laufenden Asynchronmotors lastunabhängig auf einem an sich zeitlich
unveränderten Wert dadurch gehalten, daß der ihn speisende Magnetverstärker durch
den Unterschied zweier vom Motorstrom und von der Motorspannung abgeleiteter Größen
gesteuert wird. Eine andere bekannte Einrichtung steuert über Magnetverstärker die
Drehzahl eines Drehstrominduktionsmotors nach Größe und Richtung, wobei zur Umsteuerung
der Drehrichtung eine kontaktlose Phasenvertauschung mit Hilfe der Magnetverstärker
vorgenommen wird. Durch an sich bekannte Verwendung hochwertiger Magnetwerkstoffe
kann es dabei gelingen, Zeitkonstante und Empfindlichkeit der Magnetverstärker so
zu steigern, daß der Motor noch sehr kleinen Regel- oder Steuerbefehlen hinreichend
schnell folgt.
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Bei sehr genauen Folgeregelungen, wie beispielsweise die Elektrodeneinstellung
bei Elektrostahlöfen, die ein wichtiges Anwendungsgebiet des Erfindungsgegenstandes
bildet, besteht für einen zufriedenstellenden Betrieb bei der Regeleinrichtung neben
der Forderung nach einer großen Empfindlichkeit hinsichtlich Regelabweichung und
nach einer kleinen Regelzeitkonstanten auch noch die Notwendigkeit, den Regelvorgang
dynamisch zu stabilisieren, insbesondere ihn pendelfrei zu halten. Dieses Problem
tritt immer dann auf, wenn die Elektroden sich ihrer Sollstellung nähern oder wenn
plötzlich auf Grund eines Regelbefehls eine Drehrichtungsumkehr des Stellmotors
erforderlich wird. Zu diesem Zweck kann eine der Änderungsgeschwindigkeit der Regelabweichung
proportionale Rückführung .vorgesehen werden. Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung eines Drehstrominduktionsmotors
als Stellmotor innerhalb einer Folgeregelanordnung mit Hilfe vorgeschalteter, insbesondere
selbstsättigender Magnetverstärker mit einer die Verstellgeschwindigkeit berücksichtigenden
Rückführung. Zur Nachbildung der ersten Ableitung der Regelgröße nach der Zeit wurde
hierbei bisher in herkömmlicher Weise die Spannung einer vom Verstellmotor angetriebenen
Tachodynamo verwendet. Demgegenüber besteht das Kennzeichen der Erfindung darin,
daß die Rückführungsgröße mit ruhenden Mitteln aus den sich mit der Drehzahl ändernden
elektrischen Werten des Motors oder der ihn steuernden Magnetverstärker abgeleitet
ist und diese Magnetverstärker in dem Sinn beeinflußt, daß nach Empfang eines Stehbefehls
die Verstellgeschwindigkeit mit abnehmender Regelabweichung sinkt.
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Neben der Einsparung einer 'teueren Tachodynamo erhält man im Fall
eines kontaktlosen Induktionsmotors, also eines Kurzschlußläufermotors, wie er für
die Zwecke der Erfindung in Verbindung mit ebenfalls kontaktlosen Magnetverstärkern
in Frage kommen kann, den weiteren Vorteil, daß die gesamte An-
Lage
kontaktlos ausgeführt ist, wodurch sie wesentlich weniger störanfällig und eine
diesbezügliche Wartung. entbehrlich wird.
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Zur Bildung einer drehzahl- und drehrichtungsproportionalen Spannung
als Rückführungswert bei einer Verstellungsregelung mit einem Schleifringläufermotor
kann gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal ein einen Quotienten bildendes Mittel
vorgesehen werden, dem als Dividend die Differenz aus zwei gleichgerichteten Spannungen
zugeführt ist. Von diesen soll die eine der Motorprimärspannung und die andere der
Motorsekundärspannung entsprechen. Als Divisor wird dem Quotienten bildenden Mittel
eine nach Größe und Richtung der Motorprimärspannung proportionale Spannung zugeführt.
Der Dividend kann dadurch gebildet werden, daß die Motorprimärspannung Ei und die
Motorsekundärspannung E.>, die an dem Schleifringläufer abgenommen wird, gleichgerichtet
und unter Berücksichtigung des Motorübersetzungsverhältnisses ü gegeneinander-
ns stellt die Synchrondrehzahl des Motors dar und k eine Proportionalitätskonstante.
Im vorstehenden Fall ergibt sich wiederum eine mit völlig kontaktlosen Mitteln gebildete
drehzahl- und drehrichtungsproportionale Spannung.
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Beim Antrieb nach der Erfindung kann es in gewissen Fällen wünschenswert
sein, für verschiedene Drehrichtungen unterschiedliche Verstellgeschwindigkeiten
bei ein und derselben Steuergröße zu erhalten. Ein einfaches Mittel hierzu besteht
darin, daß man in den Rückführungsstromkreis der Magnetverstärkeranordnung einen
richtungsabhängigen Widerstand einschaltet, z. B. die Parallelschaltung eines ohmschen
Widerstandes mit einem Trockengleichrichter.
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Im Falle der Anwendung von gleichstromvormagnetisierten Drosselspulen
mit in Reihe geschalteten Ventilen kann der Antrieb nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
noch wesentlich verbessert werden, wenn zumindest die an die Drosselspulen angeschlossenen
Motorwicklungen jeder Phase jeweils aus mehreren Teilen bestehen, die derart mit
den einzelnen Drosselspulen verbunden sind, daß beim Umsteuern, wenn zwei an derselben
Motorphase liegende Drosselpaare kurzzeitig geöffnet sind, ein unmittelbarer Kurzschluß
der Netzphasen über die gesättigten Drosseln verhindert ist.
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Zur Erläuterung des durch die Erfindung Erreichten sei nachstehend
auf die Fig. 1 bis 4 Bezug genommen.
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Fig. 1 beschreibt im wesentlichen den Stand der Technik, an den sich
die Erfindung anschließt. Der Induktionsmotor M ist beispielsweise ein Drehstromschleifringmotor.
Seine Primärwicklungen sind finit U, V, W bezeichnet und sein Läufer mit
11a. Der Magnetverstärker ist beispielsweise in Ventildrosselschaltung ausgeführt
und besteht aus vier Ventildrosselpaaren Si, S., und T1, T" von denen
zwei in gerader Linie und zwei über -Kreuz zwischen die Leiter S und T eines
' Drehstromnetzes R, S, T einerseits und die Primärwicklungen V und W des
Motors andererseits geschaltet sind. Der Leiter R ist dagegen unmittelbar mit der
Wicklung U verbunden.
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Vom Ausgangswert eines Verstärkers Vi werden die Steuerwicklungen
der Magnetverstärker Ti und Si geschaltet werden. Zur Bildung des Divisors kann
wie folgt verfahren werden. Die Motorprimärspannung El wird mit einer gleichphasigen
Wechselspannung Ek -
diese muß mindestens so groß sein wie der größtmögliche
Wert von Ei - summiert und gleichgerichtet. Davon wird dann eine der Zusatzwechselspannung
EI, entsprechende gleichgerichtete Spannung abgezogen. Auf diese Weise erhält
man eine richtungsabhängige, der Spannung Ei proportionale Gleichspannung. Dividend
und Divisor werden dann einer elektrischen Dividiereinrichtung zugeführt, so daß
an deren Ausgang die drehzahlproportionale Spannung U entsteht. Bei dem Gleichrichten
und Gegenschalten ist im vorliegenden Fall zu beachten, daß die Gleichrichter je
einen Bürdenwiderstand speisen, damit eine Subtraktion der gleichgerichteten Spannungen
möglich ist. Unter Umständen ist es ferner zweckmäßig, die gleichgerichtete Spannung
U zu glätten. In mathematische Form gekleidet, gehört zur vorbeschriebenen Methode
folgende Gleichung: jeweils im gleichen Sinn gespeist. Demgegenüber speist der Ausgangswert
des Verstärkers V2 die Steuerwicklungen von S2 und T2 in entgegengesetztem Sinn.
Da die Motorwicklung W im Diagonalzweig einer aus den vier Magnetverstärkern S1,
T1 und S@" T2 gebildeten Brückenschaltung liegt, läßt sich durch die beschriebene
Art der Aussteuerung eine Änderung der Motorphasenspannung im Wicklungszweig W nach
Größe und Richtung bewirken. Mit 6 ist ein im Schnitt dargestellter Schmelzofen
bezeichnet. In diesen ragen von oben drei Schmelzelektroden 3, 4 und 5 hinein, die
über einen Transformator 1 aus dem Drehstromnetz R, S, T gespeist werden.
Die Abstände der Elektroden von dem in dem Ofen 6 befindlichen Schmelzbad 8 werden
je für sich geregelt. In vorliegendem Fall ist dies nur für die Elektrode 5 dargestellt.
Sie ist über einen Seilzug 7 und ein Getriebe 10 mit dem Stellmotor M gekuppelt.
Die Regelung des Elektrodenabstandes nach Fig. 1 erfolgt in Abhängigkeit von Spannung
und Ström der Elektrode 5. Die Spannung ist zwischen der Elektrode 5 und dem Schmelzbad
8 abgenommen und einem Spartransformator 9 zugeführt, dessen Abgriff mit einer Ventilanordnung
15 verbunden ist. ber Elektrodenstrom wird durch einen Stromwandler 2 gemessen,
der mit einer Ventilanordnung 14 verbunden ist. Die Ventilanordnungen 1.4 und 15
speisen jeweils eine Steuerwicklungsgruppe a 1 bzw. n 2 zweier nur schematisch dargestellter
Magnetverstärker V1 und V2, die über einen Transformator 13 mit Wechselstrom aus
dem Netz R, S gespeist werden. Die Steuerwicklungsgruppe c der Magnetverstärker
V1 und V.., ist an eine Tachometerdynamo 12 angeschlossen, die vom Motor M angetrieben
wird. Letztere liefert eine der Verstellgeschwindigkeit der Elektrode proportionale
Spannung. Die Steuerung der Magnetverstärker V1 und V2 erfolgt so, daß sich die
Wirkungen von Elektrodenspannung und Elektrodenstrom bei der eingestellten Sollimpedanz
aufheben. Dann sind die beiden Verstärker gesperrt. Die Steuerwicklungsgruppe c,
die von der Tachometerdynamo 12 gespeist wird, wirkt bei beiden Drehrichtungen der
durch die beiden anderen Steuerwicklungsgruppen a 1 und a 2
ausgeübten
Steuerung entgegen. Dies hat zur Folge,
daß der Motor M nicht weiter
beschleunigt wird, wenn die Wirkung der Spannung der Tachometerdynamo so groß ist
wie die die Regelabweichung darstellende Differenz der Steuerdurchflutungen der
Wicklungsgruppen a 1 und a 2; die Drehzahl des Motors M wird dadurch der Regelabweichung
etwa proportional.
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Fig. 2 zeigt ein an Fig. 1 anlehnendes Anwendungsbeispiel der Erfindung.
Der Verstellmotor M ist wie zuvor ein Drehstrominduktionsmotor, jedoch mit einem
Kurzschlußanker 11b und drei Primärwicklungen U, V, W, die in gleicher Weise
mit den Ventildrosseln T1, T2 und S1, S.., verbunden sind. Die Ventildrosseln bilden
wiederum vier Paare und sind wie in Fig. 1 zwischen die Netzleiter T und
S und die Primärwicklungen V und W geschaltet. Je nach Betrag
und Größe des vorliegenden Steuerbefehls wird durch die Ventildrosseln der Scheinwiderstand
zwischen T und w und S und v verkleinert sowie zwischen T und v und
S und w groß gehalten bzw. für die andere Drehrichtung umgekehrt. Die einzelnen
Ventildrosseln sind mit verschiedenen Gruppen von Steuerwicklungen versehen. Dabei
sind die einander entsprechenden Wicklungen der einzelnen Ventildrosseln untereinander
in Reihe geschaltet. Der Wicklungsgruppe a wird eine der Abweichung -1 x der Regelgröße
von ihrem Sollwert proportionale Spannung zugeführt und der Wicklungsgruppe b eine
einstellbare konstante Spannung zur Festlegung des Arbeitspunktes der Ventildrosseln.
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Die Vorzeichen + und - an den Anschlüssen der Steuerwicklungsgruppe
a entsprechen der durch den nicht eingeklammerten Pfeil dargestellten Drehrichtung
des Motors M, die in Klammer gesetzten Vorzeichen dagegen der Drehrichtung die durch
den eingeklammerten Pfeil angedeutet ist. Die Wicklungsgruppen c und d dienen zum
Einführen der erfindungsgemäßen Rückführungsgrößen. Für die Bildung der Rückführungsgrößen
ist hier die Spannung zwischen w und v verwendet, und zwar ist diese Spannung einmal
mit einer positiven und einmal mit einer negativen Hilfswechselspannung in Reihe
geschaltet, die mit Hilfe eines Transformators 19, der mit seinen Primärklemmen
an den Netzleitern S und T liegt, erzeugt werden. Die Sekundärwicklung dieses Transformators
hat eine Mittelanzapfung 18, die mit v verbunden ist. Die Enden der Sekundärwicklung
dagegen sind je über eine der Ventilanordnungen 16 und 17 mit w verbunden. Am Ausgang
dieser Ventilanordnungen entstehen zwei gleichgerichtete Spannungen, von denen die
eine eine Differenzspannung und die andere eine Summenspannung darstellt. Eine von
beiden speist die Steuerwicklungsgruppe c und die andere die Steuerwicklungsgruppe
d. Die Steuerung erfolgt derartig, daß die Ventildrosseln T1 und S1 jeweils entgegengesetzt
zu den Ventildrosseln T2 und S" beeinflußt werden. Durch diese Schaltungsmaßnahmen
ergibt es sich, daß die bei dem Anlaufvorgang des Motors M durch die Steuerwicklungsgruppen
c und d erzeugten Durchflutungen so gerichtet i sind, daß sie der jeweiligen Steuerdurchflutung,
die von der Wicklungsgruppe a herrührt, entgegenwirken, und es ergibt sich ferner,
daß die Rückführungsdurchflutungen zu einem Zeitpunkt, in dem die Steuerdurchflutung
nicht mehr vorhanden oder wegen Annäherung an den Regelsollwert klein geworden ist,
den Magnetverstärker im Sinn einer entgegengesetzten Drehrichtung des Motors umsteuert
und diesen dadurch abbremst. Sobald der Motor abgebremst ist, wird auch die Rückführungsspannung
wieder Null.
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Durch Abgleichen der Ansprechzeit der die Rückführung bewirkenden
Gruppen c und d an die Anlauf- und Bremszeit des Motors kann erreicht werden, daß
der Motor schnell hochläuft und doch rechtzeitig wieder zum Stehen kommt.
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Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel für die Bildung einer Rückführungsgröße.
Es sind hier jedoch unter Weglassung der übrigen Teile von Fig. 2 nur die eine Steuerwicklungsgruppe
c für die Rückführungsgröße und die zu ihrer Bildung verwendeten Mittel dargestellt.
Diese Schaltung benutzt insgesamt nur eine Wicklungsgruppe für die Rückführung.
Zur Bildung der Rückführungsgröße werden die Spannungen an den Ventildrosseln Ti
und T, verwendet. Dies ist durch die Darstellung der Punkte T und w sowie T und
v angedeutet. Diese an den Ventildrosseln abfallenden Spannungen sind jeweils einer
Ventilanordnung 20 bzw. 21 zugeführt, die mit ihren Gleichstromausgängen in einer
außerdem noch zwei Widerstände 22 und 23 enthaltenden Brückenschaltung angeordnet
sind. Der Ausgangswert dieser Brückenschaltung speist die Wicklungsgruppe c. Diese
Schaltung arbeitet ähnlich wie die nach Fig. 2.
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Fig.4 zeigt, wie gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung
die Vorgänge speziell beim Umsteuern der Motordrehrichtung verbessert werden können.
Auf Grund der unterschiedlichen Zeitkonstante der Magnetverstärker beim Aufwärts-
und beim Abwärtssteuern ergibt sich beim Umsteuern der Motordrehrichtung für einen
kurzen Augenblick die Situation, daß zwei zwischen zwei Netzleitern hintereinandergeschaltete
Magnetverstärker gleichzeitig durchlässig sind. Um dabei einen Kurzschluß zu verhindern,
wird der Teil der Motorwicklung, dessen Spannung durch die Magnetverstärker gesteuert
werden soll, in zwei gleiche Hälften unterteilt. Diese beiden Hälften werden dann
jeweils mit einer der Ventildrosselpaare S1 und T1 bzw. S., und T., in Reihe geschaltet.
Die einzelnen Ventildrosseln liegen in je zwei Paaren zwischen zwei Netzanschlüssen
und zwei Primärwicklungsanschlüssen des Motors M. Der obenerwähnte Kurzschluß ist
dadurch vermieden, daß in der direkten Verbindung zwischen zwei Netzanschlüssen
für jede Stromrichtung jeweils ein sperrendes Ventil liegt. Ferner kann beim Schließen
des Magnetverstärkers, verursacht durch dessen Steuerwicklungen, ein in den Lastwicklungen
induzierter entgegenwirkender Kreisstrom nur über die Motorwicklungen fließen, deren
Impedanzen somit diesen Kreisstrom begrenzen. Dadurch wird außerdem die Ansprechzeit
beim Sperren des Magnetverstärkers verkleinert.
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Neben der bereits erwähnten Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung
zur Elektrodenregulierung bestehen beispielsweise noch für folgende Regel-bzw. Verstellantriebe
vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten: Bürstenverstellung von Drehstromnebenschlußmotoren,
Übersetzungsveränderungen mechanischer stufenloser Getriebe, Verstellung von Regeltransformatoren,
Nachlaufregelungen, Spaltverstellung sowie Reversieren bei Walzgerüsten, sonstige
Hilfsantriebe bei Walzstraßen, Hebewerksantriebe z. B. für Krane und Fördereinrichtungen,
also speziell überall dort, wo es bei folgegeregelten Antrieben auf große Genauigkeit,
schnellen Anlauf und schnelles Umsteuern ankommt.