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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung der Geschwindigkeit
einer Motorgruppe, insbesondere zum Starten oder Anhalten derselben,
wobei die Motorgruppe eine Mehrzahl von Kurzschlussanker-Induktionsmotoren
oder Synchronmotoren und Netzwerkwandler aufweist, die zu ihrer
Steuerung angeordnet sind, wenn die nominale Versorgungsleistung,
die Beschleunigungsleistung bei der Endgeschwindigkeit der Motoren
und die Verluste der eingesetzten Leistung bekannt sind.
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Auf
verschiedenen Gebieten der Industrie ist es notwendig, eine Mehrzahl
von Elektromotoren gleichzeitig zu starten. Beispielsweise sind
in der Papier- oder Metallindustrie mehrere Motoren miteinander
verbunden, um Gruppen zu bilden, welche auf gleichmäßige Weise
gesteuert werden sollten, da die Gruppen mechanisch miteinander
verbunden sind. Beispielsweise ist eine derartige Gruppe eine Trocknungssektion
einer Papiermaschine, in welchem eine Mehrzahl von Walzen, die von
Motoren angetrieben werden, mechanisch untereinander verbunden ist.
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Ein
Drehmoment, welches zur Beschleunigung schwerer Gruppen dieser Art
notwendig ist, ist wesentlich höher
als das Drehmoment, welches für
den normalen Produktionslauf notwendig ist. Herkömmlicherweise werden schwere
Gruppen jeweils für
sich gestartet und das Starten einer Gruppe benötigt ungefähr 5 Minuten, abhängig von
der Endgeschwindigkeit. Allgemein erfolgt das Starten durch Steuern
der Motoren mit einer linearen Beschleunigungsrampe unter Verwendung
eines konstanten Drehmoments.
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In
großen
gruppenbetriebenen Anlagen, beispielsweise in Verbindung mit einer
Papiermaschine, ist die Energiezufuhr zu den Motoren in Sektionen
unterteilt, welche Versorgungseinheiten oder Versorgungsgruppen
genannt werden. Eine Versorgungseinheit liefert elektrische Leistung
an eine Mehrzahl von unterschiedlichen elektrischen Antrieben, d.h. über eine
Motorsteuereinrichtung an die Motoren. Die Versorgungseinheit umfasst
verschiedene elektrische Vorrichtungen, beispielsweise Transformatoren,
Brückenspulen
oder Hochspannungskabel, Speisewandler und Schutzvorrichtungen.
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Die
Versorgungsgruppe wird auf der Grundlage der kontinuierlichen Antriebslast
elektrisch eingestuft, welche auf der Grundlage der Summe der Produkte
aus mechanischen Drehmomenten und Geschwindigkeiten bestimmt wird,
die in der Produktion benötigt
werden, wobei bei dem Additionsvorgang typische Koeffizienten verwendet
werden, die für
die Antriebsgruppen bestimmt werden.
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In
Verbindung mit Motorgruppen besteht eine herkömmliche Antriebslösung aus
einem phasenwinkel-gesteuerten Gleichstrom-Antrieb, der stets die
gleiche Nominalleistung von dem Netzwerk mit konstantem Drehmoment
aufnimmt, wobei die Nominalleistung die Vektorsumme der Effektivleistung
und der Leerlaufleistung ist. Dies bedeutet, dass die Versorgungsvorrichtungen
in Verbindung mit dem Gleichstrom-Antrieb auf der Basis der Nominalleistung
eingestuft werden müssen.
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Eine
neuere Antriebslösung
ist ein Wechelstrom-Antrieb, dessen Eingangsleistung in der Praxis
nur aus der Effektivleistung besteht, was eine bessere Verwendung
von Versorgungsgruppenkomponenten erlaubt. Wenn das Drehmoment konstant
ist, steigt die Effektivleistung linear mit wachsender Geschwindigkeit an.
Der Wechselstrom-Antrieb hat einen separaten Netzwerkwandler, der
für die
Gleichrichtung der elektrischen Leistung für alle separaten Wandler benutzt
wird, die die Motoren steuern. Da es in Verbindung mit Wechselstrom-Antrieben
praktisch keine Leerlaufleistung gibt, benötigen große Installationen, wie beispielsweise
eine Papiermaschine, wenigstens eine Versorgungsgruppe weniger als
Gleichstrom-Antriebe.
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Vorbekannte
Motorantriebe für
große
Gruppen sind in der Veröffentlichung "Papermaking Science
and Technology",
Book 9, Papermaking Part 2, Drying (ISBN 952-5216-09-8) auf den Seiten 470-483 beschrieben.
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In
Verbindung mit herkömmlichen
Papiermaschinen sind Filzabzieher in Trocknungssektionen so angeordnet,
dass mehrere Trocknungssektionen zur gleichen Zeit gestartet werden
müssen.
Somit ist es nicht möglich,
das herkömmliche
auf linearer Beschleunigung basierende Startverfahren zu verwenden,
da in der Endstufe des Hochfahrens die lineare Rampe erheblich höhere Leistung
als die Auslegungsleistung benötigt, was
zu einer Überlastung
der vorgelagerten Einrichtungen, beispielsweise von Versorgungstransformatoren oder
Versorgungswandlern der Frequenzwandler in der Trockensektion führt. Dies
kann vermieden werden, indem die vorgelagerten Einrichtungen der
Versorgung wesentlich überdimensioniert
werden, so dass eine ausreichende Anzahl von Versorgungstransformatoren
und Versorgungseinheiten gewählt
wird, um sicherzustellen, dass ihre tatsächliche Leistung ausreichend
ist, alle Gruppen zu versorgen, die gleichzeitig gestartet werden
müssen,
auch im Endteil der Beschleunigungsrampe. Das Überdimensionieren erhöht jedoch
die Kosten der Einrichtungen, die nur zeitweilig beim Hochfahren
benötigt
werden. Zusätzlich
macht eine Überdimensionierung
erheblich mehr Raum für
die Vorrichtungen nötig.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Starten einer Motorgruppe
zu schaffen, wobei das Verfahren die obigen Nachteile vermeidet
und das Hochfahren einer schweren Motorgruppe ohne überdimensionierte
Apparate auf einfache und zuverlässige
Weise ermöglicht.
Dies wird erreicht mit einem Verfahren gemäß der Erfindung, welches gekennzeichnet
ist dadurch, dass es beim Starten die Schritte aufweist des Bestimmens
eines ersten Zeitpunkts, zu dem die Motoreingangsleistung der nominalen
Versorgungsleistung entspricht, wobei die Beschleunigung mit einer
vorbestimmten Beschleunigungsrate stattfindet; Hochbeschleunigens
der Motoren im wesentlichen mit der vorbestimmten Beschleunigungsrate
bis zu dem ersten Zeitpunkt; Berechnens eines Basiswertes für die Beschleunigungsrate
als eine Funktion der Drehzahl der Motoren, wobei bei dieser Beschleunigungsrate
die Motoreingangsleistung der nominalen Versorgungsleistung entspricht;
und des Beschleunigens der Motoren mit sich ändernder Beschleunigungsrate
nach dem ersten Zeitpunkt, um so die Endgeschwindigkeit zu erreichen.
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Die
Erfindung basiert auf der Idee, dass das Starten der Motorgruppe
implementiert wird, indem zuerst die Motoren im wesentlichen mit
einer konstanten Beschleunigungsrate beschleunigt werden, bis eine
thermische Leistung der Versorgungsgruppe erreicht wird, wonach
die Beschleunigung so eingestellt wird, dass die Versorgungsgruppe
an der Leistungsgrenze bleibt. Ein Vorteil des Verfahrens der Erfindung
ist, dass zum Starten der Gruppe der Eingang der schweren Motorgruppe
nicht mit überdimensionierten
vorgelagerten Einrichtungen versehen werden muss. Die so erreichbare
Kosteneinsparung ist erheblich.
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Durch
Verwenden des Verfahrens der Erfindung ist die Startzeit länger als
bei der Anwendung des Standes der Technik, wenn die vorgelagerten
Einrichtungen der Versorgung im Stand der Technik in der oben beschriebenen
Weise überdimensioniert
sind. Wenn jedoch ein Startverfahren nach dem Stand der Technik unter
Verwendung von vorgelagerten Einrichtungen einer Standardauslegung
verwendet wird, ist es nicht möglich,
die gesamte Gruppe zu einem Zeitpunkt zu starten. Das Verfahren
der Erfindung realisiert das Starten der schweren Gruppe auf optimale
Weise unter Verwendung der Gesamtkapazität der vorgelagerten Einrichtungen
der Wandler.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Nachfolgend
wird die Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben, in der:
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1 eine
schematische Ansicht einer Versorgungsgruppe ist;
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2 eine
graphische Darstellung der Leistung als Funktion der Zeit in Verbindung
mit dem Verfahren der Erfindung ist; und
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3 Geschwindigkeit
und Beschleunigungsrate als Funktion der Zeit in Verbindung mit
dem Verfahren der Erfindung darstellt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer Versorgungsgruppe, welche für einen
Gruppenantrieb verwendet wird. Die Versorgungsgruppe wird über einen
Versorgungstransformator 1 versorgt. Der Versorgungstransformator
liefert einen Niederspannungs-Wechselstrom an Schienen, mit denen
einer oder mehrere Versorgungswandler 2 verbunden sind.
Die Aufgabe der Versorgungswandler ist es, eine Gleichspannung für separate
Netzwerkwandler 3 zu erzeugen, welche gekoppelt sind, um
Gruppenantriebsmotoren 4 zu steuern. Ein Motor kann eine
Mehrzahl von Rollen 5 oder Walzen antreiben, indem die
Motorachse tatsächlich
an einer Rolle oder einer Walze angebracht ist und die anderen Rollen,
die von dem Motor gedreht werden, mit der angetriebenen Rolle mechanisch
verbunden sind, um den gesamten Rollensatz 6 anzutreiben.
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1 zeigt
drei separate Rollengruppen 6, zu denen fünf Kombinationen
von Motoren 4 und Wandlern 3 zur Steuerung angeordnet
sind. Beispielsweise kann eine Gesamtheit dieser Art eine Gruppe
bilden, deren Geschwindigkeit unter allen Umständen gleichmäßig eingestellt
werden sollte. In Verbindung mit Gruppenantrieben bedeutet die Motorgeschwindigkeit
die Bahngeschwindigkeit einer Abfolge von Rollen, welche durch die
Motoren gedreht werden. Es ist einfach, die Bahngeschwindigkeit
in eine Winkelgeschwindigkeit des Motors oder der Rolle umzuwandeln,
wenn die Radien der Rollen bekannt sind.
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Bei
der in 1 gezeigten Lösung
und wie es per se bekannt ist, ermöglichen die verwendeten Wandler,
also sowohl die Energieversorgungswandler 2 als auch die
Wandler 3, die Verzögerung
der Motoren als Generatoren derart, dass die Verzögerungsleistung
zur Verwendung für
andere Wandler in einen Gleichstrom-Zwischenschaltkreis zurückgespeist
wird oder über
den Gleichstrom-Zwischenschaltkreis und den Leistungsversorgungswandler
hoch zu dem Versorgungsnetzwerk. Wandler, welche Energie in zwei
Richtungen übertragen,
sind allgemein als Netzwerkwandler bekannt.
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Nachfolgend
wird das Verfahren der Erfindung unter Bezugnahme auf die graphische
Darstellung in 2 beschrieben, wo eine Leistung
P eine Funktion der Zeit t in Verbindung mit einer Beschleunigung
ist. Die Leistung in 2 ist die Gesamtleistung eines
einzelnen Gruppenantriebs, d. h. einer schweren Motorgruppe, die
gleichzeitig gestartet wird. 2 ist nur
für eine
geometrische Beobachtung und ein einfaches Verständnis der Erfindung gedacht
und stellt nicht irgendein tatsächliches
System dar.
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Da
die Kurve der 2 die Leistung als eine Funktion
der Zeit darstellt, stellt die Fläche unter der Kurve Energie
dar, entweder die kinetische Energie der Massen oder die Arbeit,
die zur Abdeckung der Verluste gemacht wurde. In 2 ist
die Höhe
Pacct des Dreiecks O.Tacct.L
die Beschleunigungsleistung bei der Endgeschwindigkeit Vmax, wobei die Beschleunigung eine lineare
Rampe ist, d. h. die Beschleunigungsrate ist konstant. Die Endgeschwindigkeit
Vmax wird zur Zeit Tacct erreicht.
Heutige Frequenzwandler haben verschiedene Grundeigenschaften, wobei
die lineare Beschleunigung von Motoren eine der am meisten üblichen
Eigenschaften ist. Mit anderen Worten, der Frequenzwandler kann
durch einen Grundwert der Beschleunigung gesteuert werden.
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Der
Teil Tacct = Ploss der
Leistung Pacct stellt Verluste dar und der
Teil ML stellt die Leistung dar, die zur Erhöhung der kinetischen Energie
notwendig ist. Diese beiden Teile sind Ausgangswerte, welche bei
der Auslegung von Gruppenantrieben, beispielsweise Gruppen einer
Papiermaschine, verwendet werden, und somit sind sie bekannte Werte.
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Ferner
ist in
2 eine Höhe
P
ns des Dreiecks O.T
1.K
die nominale Versorgungsleistung, die mit linearer Beschleunigung
zum Zeitpunkt T
1 erreicht wird. Somit ist
die maximale Leistung P
acct der linearen
Beschleunigung viel höher
als die nominale Versorgungsleistung P
ns.
Die Fläche
des Dreiecks O.M.L stellt kinetische Energie bei der Endgeschwindigkeit
V
max dar und die Fläche des Dreiecks O.J.K. stellt
kinetische Energie bei einer Geschwindigkeit V
1 dar,
welche zum Zeitpunkt T
1 erreicht wird, wobei
die Beschleunigung eine lineare Rampe ist. Da die Größe der Verluste
direkt proportional zur Geschwindigkeit bei konstantem Drehmoment
anwächst,
ist es möglich,
zu bestimmen:
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Gemäß der Erfindung
wird ein erster Zeitpunkt T1 bestimmt, zu
dem die Motoreingangsleistung der nominalen Versorgungsleistung
entspricht, wobei die Beschleunigung mit einer vorbestimmten Beschleunigungsrate
a1 stattfindet. Die Beschleunigungsrate
a1 wird so gewählt, dass sie die Rate darstellt,
mit der die Motoren rasch bis zur maximalen Motoreingangsleistung
beschleunigt werden. Die Beschleunigungsrate sollte so sein, dass
sie für
die Betriebsabläufe
und die beschleunigenden mechanischen Teile sicher ist. Vorteilhafterweise wird
die Beschleunigungsrate a1 so gewählt, dass
a1 = Vmax/Tacct, wodurch die Wandler im Zeitintervall
0 – T1 gesteuert werden. In diesem Intervall ändert sich
die Verlustleistung entlang dem Liniensegment OJ.
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Nach
dem Zeitpunkt T1 muss die Beschleunigung
der Motoren bis zu der Endgeschwindigkeit auf andere Weise als durch
Fortführen
der linearen Beschleunigung erreicht werden, da zum Zeitpunkt T1 die Motoreingangsleistung die nominale
Versorgungsleistung erreicht hat. Gemäß der Erfindung wird ein Grundwert
für die
Beschleunigungsrate a2 als Funktion der
Geschwindigkeit v der Motoren berechnet, wobei bei dieser Beschleunigungsrate
die Motoreingangsleistung der nominalen Versorgungsleistung entspricht.
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Zum
Zeitpunkt T1 kommt es zu einer Leistungsbeschränkung, welche
der geraden Linie KN aus 2 am Leistungslimit Pns entspricht, anstelle der linear ansteigenden Leistung
KL. Da die Leistung begrenzt ist, nimmt die Beschleunigungsrate
ab und die Geschwindigkeit steigt langsamer. In 2 zeigt
die Kurve JR, wie die Verluste nach dem Zeitpunkt T1 anwachsen.
Wie oben erläutert,
wachsen Verluste und Geschwindigkeit in einer gegebenen Proportionalität zueinander,
so dass die Kurvenform der Geschwindigkeit derjenigen der Verluste
entspricht. Gemäß der Erfindung
wird die Leistung durch Berechnung eines Beschleunigungsratenwertes begrenzt,
der die Leistung innerhalb des erlaubten Wertes hält.
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Das
Ziel für
die Endgeschwindigkeit ist Vmax. Durch lineare
Beschleunigung würde
die Endgeschwindigkeit zum Zeitpunkt Tacct erreicht
werden, wenn verfügbare
Leistung vorhanden wäre.
In diesem Fall ist der Anstieg der kinetischen Energie, die für die Beschleunigung
von Zeitpunkt T1 notwendig ist, die Fläche des
Trapezes J.K.L.M., wie in 2 gezeigt.
Da der gleiche Anstieg an kinetischer Energie zur Beschleunigung
der gleichen Masse auf die gleiche Endgeschwindigkeit ungeachtet
der Beschleunigungsrate notwendig ist, entsprechen die Flächen des
Trapezes J.K.L.M. und des Trapezes J.K.N.R. mit einer gekrümmten Seite
einander. Das Trapez mit der gekrümmten Seite ist auf den Zeitpunkt
T2 (Liniensegment NR) begrenzt, wenn die
gewünschte
Endgeschwindigkeit Vmax erreicht worden
ist.
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In
2 ist
die Fläche
des Dreiecks O.L.M., d.h. die kinetische Energie
und die Gleichung wird für die verringerte
Masse m' aufgelöst durch
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Nachfolgend
wird die verringerte Masse m' in
eine Bewegungsgleichung eingesetzt
wobei v die momentane Bahngeschwindigkeit
ist. Der erste Term der Gleichung gibt die Größe von Verlusten bei der Geschwindigkeit
v wieder und der zweite Term wird aus der Leistungs-Grundgleichung
erhalten.
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Nach
Einsetzen der verringerten Masse in die Gleichung und unter Berücksichtigung
von Gleichung (1) ergibt sich ein Grundwert der Beschleunigung dv/dt
für das
Zeitintervall T
1 – T
2 als
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Gemäß der Erfindung
werden die Motoren nach dem ersten Zeitpunkt T1 mit der Beschleunigungsrate a2 beschleunigt. Vorteilhafterweise wird der
vorstehend berechnete Wert (dv/dt) als Beschleunigungsrate a2 gewählt.
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Die
Geschwindigkeit ändert
sich auf eine Weise, welche durch den Beschleunigungsgrundwert im
Zeitintervall T1 – T2 bestimmt
wird. Zum Zeitpunkt T2 wird die gewünschte Endgeschwindigkeit
Vmax erreicht, wonach die Beschleunigungsrate
den Wert 0 hat. Nach beendeter Beschleunigung nimmt die Leistung
entlang des Liniensegmentes MR in 2 ab und
verläuft
in Richtung der Linie MR mit der Größe Ploss.
Somit nimmt die einzusetzende Leistung auf den Wert der Verlustleistung
ab, da die Zielgeschwindigikeit erreicht worden ist und Arbeit nur
zur Kompensation der Verluste aufgewendet werden muss.
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Die
Länge des
Zeitintervalls T1 – T2 kann
aufgelöst
werden durch Einsetzen der verringerten Masse m' in die Bewegungsgleichung (5) und durch
Integration der Gleichung für
die Variablen t und v.
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Beispielhaft
zeigt 3, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung sich
als Funktion der Zeit verhalten, wenn das Verfahren der Erfindung
angewendet wird. Die Lösung
von 3 soll nur prinzipielle Kurvenformen darstellen
und nicht eine Simulation oder Messergebnisse irgendeiner besonderen
Anordnung. Wie aus 3 zu sehen ist, wird die Beschleunigungsrate
im wesentlichen bis zum Zeitpunkt T1 konstant
gehalten, wobei während
dieser Zeit die Geschwindigkeit linear abnimmt. Nach dem Zeitpunkt
T1 wird die Beschleunigungsrate verringert,
um sie innerhalb der Leistungsgrenze zu halten und infolgedessen
steigt die Geschwindigkeit langsamer an, bis zum Zeitpunkt T2 die Geschwindigkeit die Endgeschwindigkeit
Vmax erreicht.
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Das
Verfahren der Erfindung kann auch angewendet werden, um eine schwere
Motorgruppe zu verzögern
oder anzuhalten. In diesem Fall wird die Verzögerung zuerst bei der Leistungsgrenze
derart durchgeführt,
dass die Verzögerungsrate
auf einen Wert gesteuert wird, bei dem die von den Motoren erzeugte
Leistung P innerhalb der Leistungsgrenze Pns verbleibt,
wenn die Motoren verzögern.
Somit ändert
sich die Geschwindigkeit, wie durch den Verzögerungsbasiswert bestimmt.
Wie oben erwähnt,
sind die mit den Antrieben gemäß der Erfindung
zusammenwirkenden Wandler mit bidirektionalen Brücken versehen, welche erlauben, dass
die Motorenleistung zurück
in das Netzwerk gespeist wird.
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Nachdem
die Motoren eine Geschwindigkeit erreicht haben, welche eine sichere
Verzögerung
auf 0 unter Verwendung einer linearen Rampe erlaubt, wird dieses
Verzögerungsverfahren
angewendet. Das Gleiche wie bei linearer Beschleunigung trifft bei
linearer Verzögerung
zu; mit anderen Worten, die Verzögerungsrate
darf nicht so hoch sein, dass mechanische Teile der Maschinen beschädigt werden
würden.
Klar ausgedrückt,
es ist möglich,
in Verbindung mit der Verzögerung
die gleichen Zeitgrenzen zur Änderung
der Verzögerungsverfahren
wie in Verbindung mit der Beschleunigung zu verwenden, jedoch in
umgekehrter Reihenfolge. Es kann somit festgehalten werden, dass
die Verzögerung
zum Zeitpunkt –T2 beginnt und an der Leistungsgrenze beginnt.
Zum Zeitpunkt –T1 wird die lineare Verzögerung angewendet und die Motoren
stoppen zum Zeitpunkt 0.
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Es
versteht sich für
einen Fachmann auf dem Gebiet, dass die Grundidee der Erfindung
auf eine Vielzahl von Arten umgesetzt werden kann. Somit ist die
Erfindung und sind ihre Ausführungsformen
nicht auf die obigen Beispiele beschränkt, sondern sie können sich
innerhalb des Umfangs der Ansprüche ändern.
