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Automatische Vertäu-Windevorrichtung
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(Zusatz zu ... Patentanmeldung P 27 53 729.7)
Die
Erfindung bezieht sich auf eine automatische Vertäu-Windevorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 (Zusatz zu ... P 27 53 729.7).
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Die Erfindung stellt eine Verbesserung des Patents ... (Patentanmeldung
P 27 53 729.7) dar.
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In dieser Patentschrift ... (Patentanmeldung P 27 53 729.7) wird der
Windenmotor kontinuierlich zur automatischen Vertäuung erregt, um ein Drehmoment
in Richtung der Seileinholung sogar dann zu erzeugen, wenn die Schiffsbewegung eine
Ausgabe des Seils bedingt. Auf diese Weise wird zu jeder Zeit die Spannung aufrechterhalten.
Wie früher wird ein Konverter mit einem Gleichrichter und einem Wechselrichter verwendet.
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Für alle normalen automatischen Vertäuarbeiten sind die Schiffsbewegungen
relativ gering und der Windenmotor verbleibt kontinuierlich im Sinne der Seileinholung
im erregten Zustand, wie in der früheren Vorrichtung.
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Allerdings wird vorliegend eine Abänderung geschaffen, gemäß welcher
die Motorgeschwindigkeit durch einen Tachogenerator oder eine andere Vorrichtung
überwacht und, falls die das
Seil ausziehende Schiffsbewegung einen
vorbestimmten Wert übersteigt, dies ermittelt und die Richtung der Motorerregung
umgekehrt wird.
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Der Motor wird dann im Sinne einer Seilausgabe erregt. Jedoch fährt
der Motor, wie im früheren Fall fort, ein Drehmoment im Sinne einer Seileinholung
zu erzeugen, um der Ausziehbewegung des Seils zu widerstehen und die Spannung aufrechtzuerhalten.
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Die Vorrichtung, führt vorzugsweise normale sowie automatische Vertäuarbeiten
ohne das Erfordernis aus, auf eine unterschiedliche Anordnung zur Energieversorgung
umzuschalten, wie es im früheren Fall beschrieben war.
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Diese Verbesserung wird bei einer Vertäu-Windevorrichtung der eingangs
genannten Art dadurch erreicht,daß der Motor durch eine Stromrichtereinrichtung
gespeist wird, welche einen Gleichrichter und einen Wechselrichter umfaßt, und daß
die Geschwindigkeit des Motors durch eine Vorrichtung, z.B.
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einen Tachogenerator, überwacht wird, und daß auf eine Änderung des
Signals von der Vorrichtung ansprechende Detektoreinrichtungen vorgesehen sind,
um die Betriebsweise des Wechselrichters zur Änderung der Erregungsrichtung des
Motors zu ändern.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel -der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben, welche ein Blockschaltbild der Vorrichtung darstellt.
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Die Vorrichtung umfaßt einen Wechselstrom-Kurzschlußläufermotor 10,
welcher einen Tachogenerator 300 antreibt. Der Motor 10 wird durch einen Wechselrichter
320 mit einem quasi-rechteckwellenförmigen Strom gespeist, welcher in ähnlicher
Weise aufgebaut ist wie der bereits offenbarte Wechselrichter 120, wobei er allerdings
im vorliegenden Fall ein Stromwechselrichter anstatt ein im früheren Fall beschriebener
Spannungswechselrichter ist.
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Der Wechselrichter 320 wird über einen Wechselrichter 322 von einem
Regulator 324 mit variabler Spannung und konstantem Gleichstrom, welcher an eine
Drei-Phasenwechselstromquelle 326 angeschlossen ist, gespeist.
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Der Inverter 320 weist sechs in einer Brückenschaltung angeordnete
Thyristoren auf, welche durch Impulse aktiviert werden, welche von einer elektrischen
und bereits beschraebenen Zeitsteuerschaltung erzeugt werden. Eine detailierte Erläuterung
des Inverters 320 und des Gleichstrom-Regulators, welcher der Gleichstromb
»uckenschaltung
106 und dementsprechend dem im früheren Fall beschriebenen Schaltkreis ähnelt, ist
deshalb nicht erforderlich.
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Die Frequenz des Ausgangs des Inverters 320 ist variabel und ein Rückkopplungsspannungssignal
wird durch den Tachogenerator 300 abgeleitet, welcher zur Geschwindigkeit des Windenmotors
10 proportional ist. Das Rückkopplungssignal wird zur Bestimmung der Geschwindigkeit
oder Drehzahl des Windenmotors 10 verwendet.
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Das Signal wird aber auch zur Steuerung des Gleichstrom-Regulators
324 verwendet.
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Die Vorrichtung umfaßt eine manuell regelbare Einrichtung 330, um
einen "Geschwindigkeitsbedarf" einzugeben, welche während der manuellen Steuerung
der Winde zu anderen Zwecken als es für die automatische Vertäuung der Fall ist
zur Änderung der Geschwindigkeit und des Drehsinns der Winde verwendet wird.
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Dieselbe Steuerung wird auf maximale Geschwindigkeit im Seileinholsinn
gestellt, wenn die Vorrichtung auf automatischen Festmachebetrieb eingestellt ist.
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Dieser "Geschwindigkeitsbedarf" oder "Geschwindigkeitsanforderung"
ergibt eine "Schlupffrequenzanforderung", welche ebenfalls zur Stromsteuerung geführt
wird, so daß der Ausgangsstrom aus dem Wechselrichter 320 zur Größe des "Schlupffrequenzbedarfs"
direkt proportional ist.
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Der minimale Ausgangsstrom aus dem Inverter 320 wird durch eine Steuerung
332 für minimalen Strom" eingestellt, welcher unabhängig von der Schlupffrequenz
ist.
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Der Ausgangsstrom aus dem Wechselrichter 320 wird auf der Größe gehalten,
welche durch Vergleich des geforderten Stromwertes mit dem Wert des Stromes aus
dem Hauptnetz und zur Regelung des zum Inverter geführten Stroms zur Reduzierung
der Differenz auf Null erforderlich ist. In anderen Worten ausgedrückt, zusätzlich
zu einer Geschwindigkeitswert-Rückführungssteuerung ist eine Stromwert-Rückführungssteuerung
eingesetzt.
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Für das Steuersignalsystem reicht der Verweis auf die Zeichnung aus,
da die Einzelheiten der zur Herleitung, Vergleich und Aufgabe der verschiedenen
Signale erforderlichen Schaltungen bekannt sind.
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In der Figurendarstellung stellen'die folgenden Bauteile das Steuersignalsystem
dar: Variable Potentiometer 330, 332, 334 und 336 zur Einregelung der Vergleichsspannungswerte,
ein variabler Widerstand 338, welcher eine Einrichtung zur Begrenzung des oberen
Stromwertes darstellt, Festkörper-Verstärkerschaltvorrichtung 340, 342, 344, 345,
346 und 347, kennzeichnenderweise der Type 741 oder 747, Festkörperschaltvorrichtungen
354, 356 und 357, kennzeichnenderweise der Typen 4016 oder 4019, eine Festkörpervorrichtung
358 der Type 4046, Gleichrichtervorrichtungen 359 und 360, Festkörpersummiervorrichtungen
361, 362, 364, 366 und 368, eine Rampenvorrichtung 365, Detektorvorrichtungen 367
und 369, wobei die erste eine Schaltvorrichtung 408 steuert und die zweite die Schaltvorrichtungen
354, 356 und 357 steuert, zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren 371 und 373 sowie
zwei Antriebsvorrichtungen 375 und 377.
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Zur Erzeugung eines Strom-Rückkopplungssignals dienen Stromtransformatoren
370, 372.
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Die maximale Geschwindigkeit des Windenmotors 10 kann über eine Regelung
des Potentiometers 334 eingestellt werden. Die maximale Slip-Frequenz kann durch
Regulierung des
Potentiometers 336 eingestellt werden. Das Signal
vom Tachogenerator 300 wird über eine erste Schaltleitung 400 über den Potentiometer
334 und das Verbindungsglied 362 zur Schaltvorrichtung 357 geführt. Das Signal gelangt
dann entweder unmittelbar zum Potentiometer 336 oder wird über den Verstärker 340,
abhängig vom Zustand der Schaltvorrichtung 357, invertiert.
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Das Signal vom Potentiometer 336 wird unmittelbar zum Summierverbindungsglied
364 und über die Gleichrichtervorrichtung 360 zum Summierverbindungsglied 364 geführt.
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Das Signal vom Tachogenerator 300 wird entlang eines zweiten Leitungsweges
402 über die Schaltvorrichtung 354 zum Summierverbindungsglied 364 geführt:, wobei
das Signal entweder ummitfelbar zum Verbindungsglied 364 gelangt, oder durch den
Verstärker 347 abhängig vom Zustand der Schaltvorrichtung 354 invertiert wird.
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Somit empfängt das Summierverbindungsglied 364 über die Leitung 400
ein erstes Signal, welches die Differenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit
des Motors und der geforderten Geschwindigkeit, wie bei 334 eingestellt, darstellt.
Diese Differenz wird durch das Verbindungsglied 362 abgeleitet. Das erste Signal
ist auch für die Drehrichtung des Motors, wie bei 330 eingestellt, stellvertretend.
Durch
das Verbindungsglied 364 wird ein zweiter Signaleingang über den Schaltweg 402 aufgenommen,'
welcher die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors 10 darstellt. Der Ausgang aus
dem Summierverbindungsglied 364 wird über die Vorrichtung 342 zu den Vorrichtungen
377 geführt, wo'die die Gleichstrom-Spannungsimpulse bei einer Wiederholungsfrequenz
erzeugt werden, welche vom Spannungswert des durch das Verbindungsglied 364 erzeugten
Signals
abhängig sind. Die Impulse werden zum Wechselrichter 320 geführt und zur Aktivierung
oder Schaltung der Thyristoren in den Wechselrichtern verwendet. Die Folge der Aktivierung
wird durch die Polarität des durch das Verbindungsglied 364 erzeugten Signals bestimmt.
Dadurch wird .die Phase der Speisung des Motors 10 bestimmt. Die automatische Vertäueinstellung
ist eine solche, in welcher der Motor erregt wird, so daß sie bei Belastungsfreiheit
im Seileinholsinn läuft.
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Wenn die Wiederholungsfrequenz der Impulse von der Vorrichtung 371
auf 0,1 Hz während des automatischen Vertäubetriebs abfällt, erzeugt die Vorrichtung
369 ein Ausgangssignal in Form von Gleichstrom-Spannungsimpulsen, welches zur Umschaltung
der Vorrichtungen 354 und 356 von einem Zustand in den anderen verwendet wird.
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Die Umschaltung der Vorrichtung 356- ändert die Folge der Aktivierungsimpulse,
welche zum Wechselrichter 320 geführt werden, so daß die Phase der Motorspeisung
reversiert wird.
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Die Umschaltung der Vorrichtung 354 wird derart bewirkt, daß das vom
Tachogenerator 300 über den Leitungsweg 402 herkommende Siqnal invertiert wird,
wenn unabhängig vom Sinn der Motordrehung das durch das Verbindungsglied 364 vom
Verbindungsglied
361 empfangene Signal beständig dieselbe Polarität
aufweist.
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Die Umschaltung der Vorrichtung-357 wird derart bewirkt, daß dann,
wenn etwa eine VorwSrtsdrehung des Motors 10 bei 330 verlangt wird, das Signal durch
den invertierenden Verstärker 340 geleitet wird, das Signal aber unmittelbar zum
Potentiometer 336 und von da zum Summierverbindungsglied 364 geleitet wird, wenn
eine Rückwärtsdrehung verlangt wird.
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Die Vorrichtung 365 stellt sicher, daß ein übermäßig schneller Wechsel
in der. Richtung.
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der geforderten Drehung bei 330 nicht in nachteiliger Weise das System
insgesamt beeinflußt. Die Vorrichtung 365 gewährleistet eine relativ. gleichmäßige
Änderungsrate des Signals, wie auch immer das Maß der Änderung der Einstellung der
Vorrichtung 330 ist.
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Das. die tatsächliche Geschwindigkeit des Motors 10 darstellende Signal
wird über den Leitungsweg 406 über die Schaltvorrichtung 408 (welche auf Signale.
von der Vorrichtung 367 anspricht) und die Verstärkervorrichtung 346 geführt. Die
Vorrichtung 367 ist lediglich dann betätigbar, wenn das angeforderte Geschwindigkeitssignal,
welches bei 330 eingestellt ist, einen bestimmten Wert übersteigt.
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Die Detektorvorrichtung 367 bedingt, daß die Vorrichtung 408 ein Signal
zum Verstärker 346 abgibt, welches am Verbindungsglied 366 zum Geschwindigkeitsanforderungssignal
hinzuaddiert wird. Auf diese Weise kann die Nichtlinearität der Betriebskennlinie
des Motors 10 in Rechnung gestellt werden.
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Das Verbindungsglied 366-vergleicht den geforderten Strom, wie er
durch das Spannungssignal vom Tachogenerator dargestellt wird, mit dem minimalen
Stromwert, welcher bei 332 eingegeben ist, und erzeugt ein entsprechendes Ausgangsspannungssignal.
Dieser Ausgang wird durch die Vorrichtung 344 verstärkt und zum Summierverbindungsglied
368 geführt. Das Verbindungsglied 368 vergleicht das Signal für den effektiv geforderten
Strom, welches von der Vorrichtung 344 empfangen wird, mit dem Wert des aus dem
Stromnetz erhaltenen Stroms,welcher Wert durch die Transformatoren 370 und 372 erfaßt
wird.
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Durch die Vorrichtung 359 wird vom Ausgang jener Transformatoren eine
gerichtete Wechsel stromspannung abgenommen und über den variablen Widerstand 338
zum Verbindungsglied 368 geführt.
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Der Ausgang vom Verbindungsglied 368 wird durch die Vorrichtung 346
verstärkt und zum Regulator geführt, woher zur Steuerung des Regulators
derart
verwendet wird, um die Differenz zwischen dem geforderten Strom und dem tatsächlich
entnommenen Strom auf Null zu reduzieren.
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Im nachfolgenden wird die Betriebsweise für den automatischen Festmachebetrieb
geschildert. Wenn das System auf automatische Vertäuung gestellt wird, wird die
Steuerung 330 auf maximale Se-ileinholgeschwindigkeit gestellt. D.h. der Potentiometer-Schiebekontakt
wird auf das äußerste positive Spannungsende des Potentiometers bewegt. Die mittlere
Stellung stellt das Signal für die Nullgeschwindigkeit dar, d.h. unerregter Motor,
und die gegenüberliegende äußerste Stellung stellt die Erregung des Motors für eine
Seilausgabe in voller Geschwindigkeit dar. Die geforderte Motorgeschwindigkeit ist
proportional zu der Wegstrecke, um die der Potentiometerschieber aus seiner mittlerer
Stellung versetzt ist.
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Die Winde holt dann das Seil ein, bis die Spannung im Seil die eingestellte
Spannung erreicht. Der Motor wird dann abgewürgt, d.h.
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der Motor 10 hört auf zu drehen,'ist aber noch erregt im Sinne der
Seileinholung und entwickelt kontinuierlich in diesem Sinn ein Drehmoment. Der Motor
10'wird bei einer Frequenz von etwa 2 Hz erregt bei welcher die Winde die eingestellte
Spannung kontinuierlich
ohne Überhitzung abgeben kann.
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Das Signal vom Tachogenerator ist nun Null.
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Das Signal vom Potentiometer 330 für die Geschwindigkeitsanforderung
ist das einzig vorhandene Steuersignal. Von diesem Signal werden Steuersignale für
den Wechselrichter 320 und den Regulator 324 abgeleitet, derart, um eine konstante
Erregung des Motors 10 aufrechtzuerhalten. Falls sich der Wasserstand derart ändert,
daß die Spannung des Vertäuseils dazu neigt, sich zu verringern, dreht die Winde
sofort im Sinne einer Seileinholung.
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Ein Signal wird durch den Tachogenerator 300 erzeugt. Das Signal ist
positiv, da die Drehrichtung sich im Einholsinn befindet.
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Desto schneller die Bewegung des Schiffes in Richtung einer Spannungsreduzierung
wirkt, desto schneller dreht die Winde. In bereits stimmung mit der Windenbewegung
beschleunigt auch der Tachogenerator und das erzeugte Signal hat eine Größe, welche
die Windengeschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt darstellt.
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Das erzeugte Signal verkörpert einen Zuwachs des 1,Geschwindigkeitsbedarfs11
und die Inverter-Thistoren werden nun in einer schnell beschleunigten Folge betätigt,
so daß der Motor 10 bei einer vergrößerten Frequenz erregt wird.- Die "Geschwindigkeitsanforderung"
welche, wie beschrieben, zurückgeführt wird, bewirkt die Vergrößerung der Speisefrequenz
derart,
so daß beständig die Neigunq zur Reduzierung der Slip-Frequenz besteht, um diese
auf den Wert von etwa 2 Hz zu halten.
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Sobald diese Schlupffrequenz wieder aufgebaut ist, bleibt die Motordrehzahl
konstant.
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Die Winde holt Seil ein, um die Spannung aufrechtzuerhalten und bis
die Bewegung des Schiffs abnimmt und-die Seilspannung wird einmal mehr auf den "eingestellten"
Wert zurückgeführt. Die Geschwindigkeit der Windendrehung verringert sich dann auf
Null. Das Signal vom Tachogenerator verringert sich ebenfalls auf Null und die Erregerfrequenz
des Motors ist dementsprechend reduziert, um den Nennwert der Schlupffrequenz aufrechtzuerhalten.
Über diese gesamte Betriebsphase wird die Spannung-im wesentlichen konstant gehalten.
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Sollte. die Bewegung des Schiffs aufgrund der Wasserbewegung oder
der Windkraft derart sein, daß die Seilspannung sehr leicht über die eingestellte
Spannung steigt, dreht sich die Winde im Sinne einer Seilausgabe. Der Motor 10 wird
zwangläufig entgegen der Richtung der Erregung bewegt.
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Allerdings gibt der Motor noch Drehkraft ab und hält die Seilspannung
auf eine 'Wert, welcher sich sehr eng am eingestellten Wert befindet. Wenn sich
der Motor in Seilausgaberichtung dreht, erzeugt der Tachogenerator ein negatives
Spannungssignal, welches das Signal für geforderte Geschwindigkeit" reduziert.
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Infolge davon wird die Wiederholungsfrequenz der Impulse von der Vorrichtung
358 reduziert.
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Die Speisefrequenz zum Motor wird reduziert.
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Sollte die Geschwindigkeit der Motordrehung in Seilausgaberichtung
einen ausreichenden Wert erreichen, fällt die Frequenz der Impulswiederholung am
Ausgang des Oszillators 371 auf 0,1 Hz, so daß der Ausgang vom Verstärker 342 plötzlich
auf voll negativen Ausgang schaltet, welcher durch die Vorrichtung 369 erfaßt wird,
die die Umschaltung der Vorrichtungen 354, 356 und 357 bewirkt.
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Die Schaltungsfolge derlhyfistoren des Wechselrichters 320wirdgeändert,
so daß die Phase der Zufuhr reversiert wird.
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Die Umstellung der Vorrichtung 354 bewirkt, daß das negative Spannungssignal
vom Tachogenerator 300 durch den invertierenden Verstärker 347 läuft, um am Verbindungsglied
364 ein positives Signal zu erzeugen.
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Die Umschaltung der Vorrichtung 357 bewirkt, daß der Ausgang vom Verbindungsglied
362 durch den invertierenden Verstärker 340 geschaltet wird, um die Polaritätsänderung
des Signals vom Tachogenerator 300 zu kompensieren. Die Folge ist, daß bei Anwachsen
der Motorgeschwindigkeit mit fortgehender Schiffsbewegung das Seil ausgeqeben wird,
die durch das System ermittelte Schlupffrequenz eine negative Schlupffrequenz ist
und das System in einer Weise antwortet, um die Größe der negativen Schlupffrequenz
auf dem Nennwert zu halten.
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Der Motor wird mit einer zunehmenden Frequenz gespeist, wenn die Motorgeschwindigkeit
zunimmt, wobei die durch das System ermittelte Frequenz eine negative Schlupffrequenz
ist und das System in einer Weise antwortet, um die Größe der negativen Schlupffrequenz
auf dem Nennwert zu halten.
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Der Motor wird mit einer zunehmenden Frequenz gespeist, wenn die Motorgeschwindigkeit
steigt, wobei die Frequenz derart ist, daß der Motor fortwährend ein Drehmoment
in Richtung der Seileinholung erzeugt, welches der Bewegung der Windetrommel entgegenwirkt,
wobei die Winde nunmehr analog wie eine Elektrowinde wirkt, wenn eine Last abgesenkt
wird. Diese Betriebsart wird auch "fourth quadrant"-Betriebsart genannt. Energie
wird durch das Schiff in die Windevorrichtung eingegeben und die Wechselrichterquelle
gibt Energie in das Stromnetz ab.
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Die Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, daß ein konstantes Widerstandsmoment
erzeugt wird, wenn das Seil ausgegeben wird, um im Vertäuseil eine konstante Spannung
zu bewahren. Alternativ dazu kann die Vorrichtung derart ausgebildet sein, daß ein
zunehmendes Widerstandsmoment erzeugt wird, wenn das Seil ausgegeben wird, um eine
Zunahme der Seilspannung zu verursachen.
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Letztlich muß aber die Seilspannung aus Sicherheitsgründen begrenzt
sein und wird die Vorrichtung derart ausgebildet sein, um zu verhindern, daß das
Drehmoment einen Sicherheitswert übersteigt.
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Wenn die Schiffsbewegung absinkt, fällt die Seilspannung und die Motorgeschwindigkeit
auf Null.
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Das Signal vom Tachogenerator 300 verringert sich derart, daß die
Speisefrequenz dementsprechend verringert wird. Schließlichllt'die durch die Vorrichtung
358 erzeugte Pulsfrequenz auf 0,1 Hz, antwortet der Detektor 369 und verursacht
die Zurück schaltung der Vorrichtungen 354, 356 und 357 in ihren ursprünglichen
Zustand.
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Sollte die Bewegung des Schiffs im gleichen Sinn weiter stattfinden,
wird die Winde in Seileinholrichtung drehen, um Seil wiederzugewinnen und im Seil
eine im wesentlichen konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Das Schiff wird dann
dazu neigen, in einer festen Position zu bleiben oder sich eng-in die ursprüngliche
Stellung der Festmachung bewegen.
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Während normaler Bedingungen wird, wenn die Winde auf Automatikbetrieb
eingestellt rist, die Schiffsbewegung relativ gering sein und mit relativ kleiner
Amplitude vor sich gehen, wie bereits in der zugehörigen Anmeldung beschrieben.
Die vorliegende Winde wird den Automatikbetrieb unter solchen Bedingungen ausführen,
während sie'kontinuierlich in Seileinholrichtung erregt ist, das Signal vom Tachogenerator
300 niemals einen ausreichend negativen Wert erreicht, um die Vorrichtungen 354,
356 und 357 umzuschalten und die Erregungsrichtung des Motors 10 umzukehren.
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Das Verhältnis zwischen der Spannung im Seil und der Drehgeschwindigkeit
des Motors 10 im beechriebenen Ausführungsbeispiel wird durch die Vorrichtungen
348, 352 und 353 bestimmt, wobei durch deren Ausbildung entpprechend die Spannung
im Seil konstant oder, alternativ dazu, ansteigend gehalten werden kann, wenn die
Winde Seil ausgeben muß, wie oben erwähnt.
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Wenn die Winde Seil einholt, hält die Vorrichtung vorzugsweise die
eingestellte Spannung, allerdings kann durch entsprechende Ausbildung der Vorrichtungen
348, 352 und 353 ein anderes Verhältnis gewählt werden. -Die oben beschriebene Windevorrichtung
führt auch einen nicht-automatischen oder anderen- Vetäubetrieb aus, wobei die Richtung
und Geschwindigkeit des Motors 10 manuell durch Einstellung des Potentiometers 330
gesteuert werden kann.
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Wenn das Seil zuerst zur Befestigung an der Anlegestelle ausgegeben
wird, kann die Winde durch Bewegung des Potentiometerschiebers gegen das negative
Ende des Potentiometers bis herauf zur maximalen Seilausgabegeschwindigkeit eingestellt
werden.