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Elektrischer Antrieb, insbesondere für Hebezeuge Die Erfindung bezieht
sich auf einen elektrischen antrieb, insbesondere für Hebezeuge, wie aufzüge od.
dgl. bestehend aus einer Regeleinrichtung unu einem Asynchronmotor miwenigstens
zwei Wicklungen, deren Drehmomente zum Antreiben und/oder Bremse des Motors über
Phasenanschnittsteuerungen beeinflußbar sind, wobei zur Regelung der Drehzahl ein
I)rehzahlsollwertgeber und ein Drehzahlistwertgeber vorgesehen sind.
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Durch die Dt-PS 299 477 wurde bereits vorgeschlagen, den Strom in
zwei Wicklungen des Motors durch Widerstände zu beeinflussen, die über zwei Schaltwalzen
verändert werden.
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Die Bedienung der Schaltwalzen erfolgt an sich unabhängig voneinander,
sie werden lediglich gegeneinander so verriegelt, daß die treibende Motorwicklung
erst abschaltbar is, wenn in der anderen Wicklung ein derart großer Gleichstrom
fließt, daß die Last gehalten wird. Eine solche, zum Stand der Technik gehörende
Anordnung eignet sich jedoch nicht für eine selbsttätige Regelung.
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Weiter ist es bereits bekannt, das Bremsmoment bei Gleichstrombremsung
dadurch zu dosieren, daß die Motorwicklung zur Zeit der Bremsung an eine steuerbare
Gleichrichtersenaltung
angeschlossen ist. In der DT-OS 1 413 659
wird beispielsweise eine Regelanordnung beschrieben, bei der der Primärwicklung
eines von einem Umrichter gespeisten Drehstrommotors ein Gleichstrom zur Erzeugung
des Bremsmoetes überlagert wird, der einer geregelten Gleichstromquelle entnommen
wird.
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Die Anordnung gestattet zwar- eine selbsttätige Regelung einer festeingestellten
Drehzahl, sie hat jedoch den Nachteil, daß ein Spezialmo-tor mit zwei gleichen in
Stern geschalbeten Wicklungen verwendet werden muß, und daß der Drehzahlbereich
durch die untere Prequenzgrenze des Umrichtwerkes begrenzt ist. Weiter ist die Lastabhängigkeit
der Regelung nachteilig, die daher rührt, daß die Gleichstrombremseinrichtung als
eigener Regelkreis ausgebildet ist, der erst wirksam wird, wenn die Leistung des
Umrichter nahezu Null geworden ist, d.h. die Bremseinrichtung kann nur einen übersynchronen
lauf verhindern. Für den Bereich des Drehmomentes ist keine selbsttätige Regelung
vorgesehen.
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Statt dessen wird für höhere Genauigkeit ein Synduktionsmotor vorgeschlagen.
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Vermieden wird der beschriebene Nachteil durch die Steuerung: eines
Asynchronmotors nach der DT-PS 1 488 397, bei der zum Treiben die niederpolige Wicklung
mit Drehstrom und zum Bremsen die hochpolige Wicklung mit Gleichstrom gespeist wird.
Diese Ströme werden über steuerbare Halbleitergleichrichter durch Phasenanschnitt
beeinflußt, was durch die Entwicklung der Thyristoren und Triacs möglich wurde.
Für die selbsttätige Regelung sind sowohl für den Antriebsteil als auch für den
Bremsteil gesonderte Regler vorgesehen. Beide Regler vergleichen den Drehzahlistwert
mit dem vorgegebenen Dr ehzahlpro gramm und verändern entsprechend der Regelabweichung
den Stromflußwinkel der zugeordneten, steuerbaren Halbleitergleichrichter. Man nützt
hier
die Erkenntnis, daß Drehstrom-Asynchronmotoren durch Änderung der Speisespannung
in einem weiten Drehzahlbereich steuerbar sind, wenn der Motor derart ausgebildet
ist, daß er eine abfallende Kennlinie, also kein Kippmoment aufweist. Die Drehmomentenkennlinie
eines gleichstromgebremsten Asynchronmotors hat jedoch auch bei höherer Polzahl
ein relativ stark ausgeprägtes Kippmoment, das untragbar hohe Bremsverzögerungen
zur folge hat. Um dies zu vermeiden, ist der bekannte Motor mit einem Spezialläufer
ausgebildet, dessen Stäbe gegenüber den Nutwänden isoliert sind, und die Polzahl
für die Bremswicklung wird eben so hoch gewählt, daß sich bei Gleichstrombremsung
ein nahezu konstantes Bremsmoment ergibt. Weiter wird der Läufer als Widerstandsläufer
ausgebildet, um im motorischen Betrieb eine stetig abfallende Kennlinie ohne Kippmoment
oder Einsattelung zu erreichen. Damit ein stetiger und ruckfreier Ubergang vom Treiben
zum Bremsen möglich wird, dürfen sich die beiden Regelkreise gegenseitig nicht beeinflussen.
Es muß daher für die hochpolige Wicklung eine Polzahl gewählt werden, bei der die
niederpolige Wicklung in der hochpoligen Wicklung keine Spannung induziert. Kann
diese forderung nicht erfüllt werden, so ist eine Blockierung vorgesehen, die jeweils
den nicht benötigten Teil blockiert.
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Die beschriebene Steuerung ermöglicht zwar eine selbsttätige Drehzahlregelung
nach einem vorgegebenen Drehzahlprogramm in einem weiteren Drehzahlbereich, ist
aber allein schon durch den erforderlichen Spezialmotor in der Praxis nur begrenzt
anwendbar. Außerdem müssen die Regler für reiben und Bremsen an die anzutreibende
Maschine dynamisch angepaßt werden, wobei die Schwierigkeit auftritt, daß das Zeitverhalten
beider Regler annähernd gleich sein muß, damit sich--eine einwandfreie Ablösung
beim Übergang vom Treiben zum Bremsen ergibt. Andererseits weicht die
Dynamik
der Regelstrecke für das Treiben auch bei Verwendung eines Spezialmotors douh von
der Dynamik der Regelstrecke für das Bremsen ab, was doch zu einer untersciiiedlichen
Einstellung der Regler führt.
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Schließlich ist durch'die DD-OS 2 340 930 eine Regelanordnung bekanntgeworden,
welche die dynamischen Probleme weitgehend vermeidet. Bei ihr weist der Motor ebenfalls
zwei getrennte Wicklungen auf, wobei die zur Erzeugung des treibenden Momentes dienende
Wicklung über eine Phasenanschnittsteuerung an das Drehstromnetz angeschlossen ist
und die zur Erzeugung des Bremsmomentes dienende Wicklung über eine gesteuerte Gleichrichterschaltung
gespeist wird. Die beiden getrennten PhasenanæchVittsteuerungen werden hier aber
nicht über Regler im engeren Sinne (d.h. nicht über Regelverstärker hoher Verstärkung
mit einem das Zeitverhalten bestimmenden Rückführungsnetzwerk) angesteuert, sondern
für jede Phasenanschnittsteuerung wird die Regelabweichung aus dem Drehzahlistwert
und dem Drehzahlsollwert getrennt gebildet und der Phasenanschnittsteuerung direkt
aufgeschaltet. Auf diese Weise erzeugen die Phasenanscilnittsteuerungen variable,
von der Regelabweichung abhängige Momente. Damit im Bereich kleiner Regelabweichungen
kein sogenanntes Loch im Gesamtmoment des Motors entsteht, werden die Kennlinien
für das Moment in AbhEngigXkeit von der Regelabweichung der beiden Anschnittsteuerungen
durch dieser Abweichung überlagerte Zusatzgrößen gegneinander verschoben. Um die
Verstärkung der beiden Phasenanschnittsteuerungen weiter zu erhöhen, wird das erzeugte
Moment wenigstens einer Phasenanschnittsteuerung über geeignete Wandler auf die
andere Phasenanschnittsteuerung zurückgekoppelt.
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Trotz dieser Maßnahme wird bei der beschriebenen Steuerung ein Antriebs-
oder Bremsmoment immer nur dannwzeugt, wenn eine deutliche Regelabweichung vorliegt.
Es ist deshalb
nicht möglich, ein vorgegebenes Drehzahlprogramm
mit hoher Genauigkeit zu befolgen, weshalb man auch gezwungen ist, beispielsweise
einen Aufzug lageabhängig und nicht zeitabhängig einzufahren, was wesentlich mehr
Aufwand bedeu-tet.
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Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es is-t, die genannten
Nachteile zu vermeiden und einen Antrieb der eingangs genannten Art dahingehend
weiter zu entwickeln, daß er in der Lage ist, ein beliebig vorgegebenes Drehzahlprogramm
in einem Drehzahlbereich, der annähernd vom Steillstand bis zur Nenndrehzahl des
Motors reicht, ohne störende Regelabweichung zu befolgen, wobei absolut handelsübliche
Drehstrom-Asynchroumo toren verwendet werden können.
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Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß aus dem Drehzahlsollwert
und dem Drehzahlistwert die Drehzahlabweichung gebildet wird, und daß diese Drehzahlabweichung
einem einzigen Regler mit sehr hoher Verstärkung zugeführt wird, dessen Ausgangssignal
gleichzeitig den Phasenanschnittsteuerungen von wenigstens zwei Wicklungen des Motors
zugeführt wird.
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Durch diese Regelung ist es möglich, ein beliebig vorgegebenes Drehzahlprogramm
stufenlos in einem weiten Drehzahlbereich, nämlich annähernd von der Drehzahl Null
bis zur Renndrehzanl ohne störende Regelabweichung selbsttätig zu befolgen. Zur
Erzeugung eines veränderlichen DrehmomenT tes und eines veränderlichen Bremsmomentes
werden die Ströme in wenigstens zwei Wicklungen des Motors über die Phasenanschnittsteuerungen
dosiert. Die Eingänge von beispielsweise zwei Phasenanschnittsteuerungen werden
dabei zweckmäßig so ausgebildet, daß bei negativern Reglerausgang die Phasenanschnittsteuerung
zur Erzeugung des Antriebsdrehmomentes
und bei positivern Reglerausgang
zur Erzeugung des Bremsmomentes angesteuert werden. Durch die hohe Verstärkung des
Reglers werden die Phasenanschnittsteuerungen bei Bedarf voll ausgesteuert, ohne
daß eine störende Regelabweichung vorhanden ist. Eine gegenseitige Beeinflussung
der Ströme in den Motorwicklungen tritt nicht auf, wenn der Reglerausgang jeweils
nur eine der beiden Phasenanschnittsteuerungen ansteuert. Die Kennlinie mindestens
einer der beiden Phasenanschnittsteuerungen kann aber auch so gewählt werden, daß
schon bei Ausgangsspannung Null des Reglers ein Moment erzeugt wird.
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Dadurch werden dann in einem engen Bereich der Reglerausgangsspannung
die Momente der beiden Motorwicklungen überlagert. Je nach dem Verhältnis der Polzahlen
der Wicklungen kann dabei auch eine gegenseitige Beeinflussung der Ströme auftreten.
Diese hat zwar eine Auswirkung auf das resultierende Moment, ist aber im Gegensatz
zu den bekannten Steuerungen eindeutig und reproduzierbar, so daß die Funktion der
Regelung nicht gestört wird.
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Dieses Regelprinzip ist nicht an eine bestimmte Drehmomentenkennlinie
des Motors gebunden, weil der Reglerausgang je nach den Erfordernissen des Betriebes
zu jedem Zeitpunkt sämtliche Spannungswerte annehmen kann, mit denen über die Phasenanschnittsteuerungen
Momente vom maximalen Drehmoment bis zum maximalen Bremsmoment erzeugt werden.
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Durch die Verwendung eines einzigen Reglers kann dem Antrieb auf einfache
Weise durch ein geeignetes Rückführungsnetzwerk im Regler ein für den Betrieb optimales
Zeitverhaluen gegeben werden. Z.B. kann mit -I; eineni proportional-integralen Regler
erreicht werden, daß die Regelabweichung über die ganze Drehphase des Motors auch
dann sehr klein bleibt, wenn der Motor kurzzeitig über sein maximal abgebbares Moment
überlastet wird.
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Da der erfindungsgemäße Antrieb einem vorgegebenen Drehzahlprogramm
mit sehr geringen liegelabveichunben folgt, ist möglich, das Drehzahlprogramm für
das Einfahren beispielsweise eines Aufzuges zeitabhängig ablaufen zu lassen, ohne
daß längere Strecken mit Schleichgeschwindigkeit zuruckgelegt werden müssen. Es
erfolgt ein ruckfreies und lastunabhängiges Fahren. Diese Regelung ermöglicht auch
für die Fahrt zwischen zwei Stockwerken die Vorgabe einer Zwischengeschwindigkeit,
welche kleiner als die maximale Fahrgeschwindigkeit ist, eo daß auch innerhalb kurzer
Wegstrecken eine definierte Drehzahl des Antriebes erreicht wird, und auch hier
das Einfahren in eine Haltestelle ohne Schleichfahrt erfolgt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sich etwaige Höhenunberschiede,
beispielsweise zwischen der lastplattform und einer Stag-e, welche durch die Seillängung,
bedingt durch die Bel<stung des Aufzuges auftreten, mit geringer Drehzahl des
Antriebes leicht nachkorrigieren lassen, so daß in jedem Palle ein Bündigfahren
an den jeweiligen Haltestellen gewährleistet ist.
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Der erfindungsgemäße Antrieb hat ferner den Vorteil, daß er einfach
in seinem Aufbau und übersichtlich ist und nur drei Befehle von der übergeordneten
Steuerung benötigt, nämlich "Fahren", "Verzögern" und "Halt".
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Schließlich wird auch noch ein Vorteil darin gesehen, daß jede zusätzliche
Schwungmasse, wie sie bei Drehstromantrieben üblicherweise notwendig ist, entfallen
kann, wodurch auch bei der Beschleunigung der zu hebenden last und somit im Moment
des Anfahrens der Anlaufstrom reduziert wird, so daß dadurch eine Entlastung des
Netzes eintritt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
entnommen werden. Es zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen
Antriebes, Fig. 2 ein Fahrdiagramm -und eine Stromaufn'hmekurve bei Verwendung eines
Antriebes nach Fig. 1.
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In Fig. 1 ist mit 1 der Sollwertgeber bezeichnet, der über Schalter
2 von derHebezeug- oder Aufzugsteuerung her die Befehle "Pahren", "Verzögern" oder
"Halt" erhält, sowie die Information, welche Geschwindigkeit die Anlage bei der
folgenden Fahrt erreichen soll. Als Antriebsmotor für das Hebezeug dient ein Drehstrom-Asynchronmotor
3, der im Stator, hier im Beispiel eine niederpolige Drehstrom-Antriebswicklung
4 und eine hochpolige Gleichstrom-Bremswicklung 5 aufweist. Dies ist, wie bereits
erwähnt, nur im Beispiel angenommen, denn es können durchaus auch zwei niederpolige
oder zwei hochpolige Wicklungen vorgesehen sein Zweckmäßigerweise jedoch soll die
Bremswicklung 5 eine möglichst hohe Windungszahl aufweisen, um in der Steuerung
einen Trafo entbehren zu können. Mit dem Asynchronmotor 3 ist ein als Tachometer
oder ähnliches ausgebildeter Istwertgeber 6 verbunden, der eine der Drehzahl proportionale
Spannung über eine Leitung 7 mit dem Ausgang 8 des Sollwertgebers 1 zusammenführt.
Die so entstehende Regelabweichung d.h. die Differenz zwischen der Sollwertspannung
und der Istwertspannung, wird einem Regler 9 mit hoher oder unendlicher Verstärkung
zugeführt, der seinerseits gleichzeitig eie an sich bekannte Phasenanschnittsteuerung
10 für die Antriebswicklung 4 und eine Phasenanschnittsteuerung 11 für die Bremswicklung
5 ansteuert.
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Der Regler 9 besteht im wesentlichen aus einem Regelverstärker und
einem Rückführungsnetzwerk. Die ?hasenanschnitts teuerung 10 soll hier im Beispiel
im wesentlichen aus in jeder Phase vorgesehenen zwei antiparallel geschalteten Thyristoren
bestehen, die durch Zündgeräte, gesteuert vom Regler 9, einen S-tromfluß freigeben.
Für die Phasenanschnittsteuerung 11 hingegen soll angenommen werden, daß sie als
Brücke ausgebildet und sowohl mit Thyristoren als auch mit Gleichrichtern ausgestattet
ist, wobei die Thyristoren ebenfalls durch vom Regler 9 gesteuerte Zündgeräte in
Funktion treten. Da derartige Einrichtungen ausreichend bekannt sind und diese hier
auch nicht unter Schutz gestellt werden sollen, wird auf eine zeichnerische Darstellung
verzichtet.
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Zwischen der Phasenanschnittsteuerung 10 und der Antriebswicklung
4- sind noch Drehrichtungsschütze 12 zur Umsteuerung für Aufwärts- oder Abwärtsfahrt
des Hebezeuges vorgesehen.
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In dem Diagramm gemäß der Fig. 2 sind auf der Ordinate 15 die Zeit
t und auf der Abszisse 16 die Bahrgeschwindigkeit v des Hebezeuges und die Stromaufnahme
A aufgetragen. Die Kurve 17 zeigt die Geschwindigkeit während eines gesamten Fahrweges,
also einschließlich Anfahren und Bremsen bis zum Stillstand, während die. Kurve
18 die während des Fahrweges wechselnde Stromaufnahme zeigt.
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Wirkungsweise: Der Sollwertgeber 1 erhält über die Schalter 2 die
Information, welche G.jschwindigkeit die Anlage bei der folgenden Fahrt erreichen
soll. Die Drehrichtungsschüze 12 schließen die Antriebswicklung 4 in der für die
gewünschte Fahrtrichtung erforderlichen Phasenfolge an die
Phasenanschnittsteuerung
10 an.
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Zu Beginn der Fahrt hat der Ausgang des Sollwertgebers 1 den Wert
Null, der Antriebsmotor 3 steht still, die mechanische bremse des beispielsweise
Aufzuges ist geschlossen und der Istwertgeber 6 gibt kein Signal ab; dem Regler
9 wird also keine Regelabweichung gemeldet und der Ausgang 8 des Reglers 1 ist ebenfalls
Null. Die Kennlinie der Phasenanschnittsteuerung 11 für die Bremwicklung 5 ist so
gelegt, daß be Eingangsspannung Null bereits eine Gleichspannung an die hochpolige
Bremswicklung 5 des Motors 3 angelegt wird. Dadurch wird ein Bremsmomenl erzeugt,
welches den antrieb gegen das Iastmomeilt festhält, während die mecklanische Bremse
gelöst wird. Anscbließend steigt die Ausgangsspannung des Sollwertgebers 1 entsprechend
der eingestellten Beschleunigung und der Beschleunigungsänderung an.
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Die Regelabweichung, also die Differenz zwischen der Sollwertspannung
und der Istwertspannung wird dem Regler 9 zugeführt, der seinerseits die Phasenanschnittsteuerungen
10, 11 derart ansteuert, daß der Stromflußwinkel der bremsenden Gleichrichterschaltungen
verkleinert, der Stromflußwinkel des treibenden Drehstromtellers in der Phasenanschnittsteuerung
10 jedoch vergrößert wird. Der Aufzug setzt sich in Bewegung. die Aussteuerung ist
abhängig von der Regelabweichung, die auf Grund der sehr hohen Verstärkung des Reglers
9 annähernd auf Null gehalten wird. So wird der Antrieb ruckfrei und geführt hochgefahren
bis zur vorgegebenen Enddrehzahl. Bei Erreichen des Verzögerungspunktes wird die
Drehzahlvorgabe für den Sollwertgeber 1 auf die Schleichdrehzahl zurück genommen.
Die AuCgangsspannung des Sollwertgebers 1 sinkt entsprechend der eingestellten Verzögerung
und
Verzögerungsänderung wieder ab. Der Regler 9 bewirkt über die
nachgeschalteten Phasenanschnittsteuerungen 10 und 11, daß der Aufzug mit sehr geringer
Regelabweichung der Sollwertkurve folgt. Beim Erreichen der Haltestelle wird die
Drehzahlvorgabe auf Null zurückgenommen. Der Aufzug wird über die Gleichstrombrems1lrXg
des Motors 3 praktisch bis zum Stillstand abgebremst, erst dann fällt die mechanische
Bremse ein, ohne spürbaren Stoß für die tozugsbenutzer.