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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Förderanlage, insbesondere Aufzugsanlage,
mit einer Treibscheibe, mit einem über die Treibscheibe geführten Tragseil,
einem Antrieb zum Antreiben der Treibscheibe, einem an einem Ende
des Tragseils hängenden
Lastenkorb, insbesondere Fahrkorb, und vorzugsweise einem am anderen
Ende des Tragseils hängenden
Gegengewicht.
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Die
Erfindung betrifft gleichermaßen
ein Verfahren zum Betreiben einer Förderanlage nach einem der Ansprüche 1 bis
6.
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Gattungsgemäße Förderanlagen
sind insbesondere in Form von Treibscheibenaufzügen weit verbreitet. Üblicherweise
ist ein Fahrkorb mit einer spezifizierten Nennlast, zum Beispiel
zwischen 1000 kg und 2000 kg, und einem Gegengewicht vorgesehen.
Dabei beträgt
die Masse des Gegengewichts gemäß üblicher
Auslegung der Summe aus der Leermasse des Fahrkorbs und dem halben
Betrag der Nennlast des Fahrkorbs. Bei einer Nennlast von 1000 kg
hat das Gegengewicht gemäß dieser
Auslegung somit eine Masse, die um 500 kg größer ist als die Leermasse des
Fahrkorbs.
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Je
nach Beladungszustands des Fahrkorbs ist eine Aufwärts- bzw.
Abwärtsfahrt
des Fahrkorbs daher mit einer Erhöhung oder Verminderung der
potentiellen Energie des Systems aus Fahrkorb und Gegengewicht verbunden.
Wenn beispielsweise der Fahrkorb leer ist, also keine Nennlast trägt, ist
eine Aufwärtsfahrt
des Fahrkorbs mit einer Verminderung der potentiellen Energie des
Systems verbunden, da das schwerere Gegengewicht nach unten gefahren wird.
Bei einer Aufwärtsfahrt
wird in diesem Fall somit potentielle Energie freigesetzt.
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Umgekehrt
ist bei leerem Fahrkorb eine Abwärtsfahrt
des Fahrkorbs mit einer Erhöhung
der potentiellen Energie des Systems verbunden, da das schwerere
Gegengewicht nach oben bewegt wird. Bei einer Abwärtsfahrt
des leeren Fahrkorbs 2 muss dem System in diesem Fall somit
Energie zugeführt werden.
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Die
Verhältnisse
kehren sich in entsprechender Weise um, wenn der Fahrkorb mit einer
größeren Nennlast
als der halben Nennlast beladen ist und entsprechend eine größere Masse
als das Gegengewicht aufweist.
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Nachteilig
bei den bekannten Förderanlagen und
insbesondere den bekannten Treibscheibenaufzugsanlagen ist, dass
bei potentielle Energie freisetzenden Fahrten die freigesetzte Energie
verloren geht. Der Energieaufwand zum Betrieb der Anlagen ist daher
prinzipbedingt nicht optimal.
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Besonders
in Anbetracht steigender Stromkosten besteht somit insbesondere
bei den Betreibern viel benutzter Förderanlagen, wie zum Beispiel viel
befahrener Aufzüge,
beispielsweise in Krankenhäusern
und/oder Verwaltungsgebäuden,
ein Bedarf an energieeffizienten Anlagen und Betriebsverfahren.
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Ein
weiterer Nachteil der bekannten Förderanlagen sind die bei die
potentielle Energie erhöhenden
Fahrvorgängen
auftretenden großen
Ströme, welche
die Anforderungen an die elektrischen Zuleitungen sowie die Auslegung
des elektrischen Antriebs bestimmen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Förderanlage, insbesondere Aufzugsanlage,
der eingangs genannten Art anzugeben, welche sich besonders energieeffizient
betreiben läßt und die
Stromaufnahme verringert. Gleichermaßen ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Förderanlage der eingangs genannten
Art anzugeben, welches besonders energieeffizient ist und die Stromaufnahme
verringert.
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Die
Vorrichtungsaufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Förderanlage
der eingangs genannte Art, bei der mindestens eine drehbar gelagerte
Schwungmasse mit Mitteln zum zumindest teilweisen Umwandeln einer
während
eines die potentielle Energie des aus dem Lastenkorb und ggf. dem Gegengewicht
gebildeten Systems vermindernden vertikalen Fahrvorgangs des Lastenkorbs
von besagtem System freigesetzten Energie in eine Rotationsenergie
der Schwungmasse sowie mit Mitteln zum Umwandeln wenigstens eines
Teils einer etwaigen Rotationsenergie der Schwungmassen während eines
die potentielle Energie des aus dem Lastenkorb und ggf. dem Gegengewicht
gebildeten Systems erhöhenden
vertikalen Fahrvorgangs des Lastenkorbs in potentielle Energie des
besagten Systems vorgesehen ist.
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Die
erfindungsgemäße Merkmalskombination
erlaubt es mit Vorteil, die bei bestimmten Fahrvorgängen freiwerdende
potentielle Energie in Rotationsenergie der Schwungmasse umzuwandeln
und insoweit zu speichern. Umgekehrt ermöglicht es die erfindungsgemäße Förderanlage,
bei bestimmten Fahrvorgängen
die in Form von Rotationsenergie in den Schwungmassen gespeicherte
Energie durch entsprechende Umwandlung zum Antreiben des Lastenkorbs
der Förderanlage
zu verwenden. Somit wird ein besonders energieeffizienter Betrieb
der Förderanlage
ermöglicht.
Als Schwungmasse kann im Prinzip jede denkbare Masse eingesetzt
werden. Besonders geeignet ist eine zylindrische Masse, welche zentrisch
mit einer Achse starr verbunden ist, um eine Rotation ohne Radialkräfte zu ermöglichen.
Die von der Schwungmasse speicherbare Rotationsenergie Erot berechnet sich in bekannter Weise in
Abhängigkeit
von dem Trägheitsmoment
I und der Kreisfrequenz ω der
Schwungmasse anhand der Formel Erot = ½Iω2.
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Im
Falle einer zylindrischen Schwungmasse, welche zentrisch gelagert
ist, mit dem Radius r und der Masse m gilt für das Trägheitsmoment bekanntlich I = ½mr2.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass aufgrund
der Speichermöglichkeit
der bei bestimmten Fahrvorgängen
freigesetzten potentiellen Energie beim Betrieb der Förderanlage von
außen
nur noch Verlustenergie, etwa durch Reibung, hinzugeführt werden
muss. Entsprechend können
die verwendeten Antriebe kleiner ausgelegt sein. Auch im Falle eines
Ausfalls einer externen Energieversorgung, beispielsweise bei Stromausfall,
Isst sich die Förderanlage
mit der gespeicherten Rotationsenergie noch für eine gewisse Zeit weiter
betreiben, um beispielsweise im Falle eines Stromausfalls die nächste Haltestelle
noch anfahren zu können.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mittel zum
Umwandeln einer freigesetzten Energie und/oder die Mittel zum Umwandeln
einer Rotationsenergie eines sowohl als Generator als auch als Motor
betreibbare elektrische Maschine auf. Im einfachsten Fall kann gemäß dieser
Ausgestaltung der Erfindung bei potentieller Energie freisetzenden
Fahrvorgängen
ein Generator angetrieben werden, der seinerseits über einen
Elektromotor die Schwungmasse zu einer Rotationsbewegung antreibt.
Umgekehrt kann durch die Verwendung einer elektrischen Maschine
gemäß dieser
Ausgestaltung der Erfindung die in der Schwungmasse gespeicherte
Rotationsenergie über
einen Generator zur Erzeugung der elektrischen Energie verwendet
werden, wobei die erzeugte elektrische Energie zum Antreiben der
Förderanlage über einen
Elektromotor verwendet werden kann. Die An- und Abkopplung der Schwungscheibe
von der Förderanlage
kann somit im Wesentlichen durch elektrische Schaltvorgänge bewirkt
werden, ohne daß eine
mechanische Kupplung zwingend erforderlich ist. Insbesondere kann der
bei den bekannten Förderanlagen
und Aufzugsanlagen im Regelfall zum Antreiben der Treibscheibe vorgesehene
Elektromotor als Mittel zum Umwandeln der Energie im Sinne der Erfindung
verwendet werden. Denn der zum Antreiben der Treibscheibe vorgesehene
Elektromotor wird auch bei herkömmlichen
Förderanlagen
im Prinzip als Generator betrieben bei Fahrvorgängen des Lastenkorbes, welche potentielle
Energie freisetzen. Erfindungsgemäß wird die von dem Treibscheibenantrieb
generierte elektrische Energie zum Antreiben einer Schwungmasse verwendet,
um so die freigewordene Energie in Form von Rotationsenergie zu
speichern.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Schwungmasse
und eine zweite Schwungmasse vorgesehen, wobei jeder Schwungmasse
jeweils separat Mittel zum Umwandeln einer freigesetzten Energie
und/oder Mittel zum Umwandeln einer Rotationsenergie zugeordnet
sind. Die Verwendung zweier separater Einheiten aus Schwungmasse
und zugeordneten Umwandlungsmitteln kann mit Vorteil insbesondere
die Rückübertragung
in Form von Rotationsenergie zwischengespeicherter Energie auf den
Fahrkorb erleichtern. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn
die erste Schwungmasse in entgegensetzter Richtung zu der zweiten
Schwungmasse rotiert. Durch geeignete Getriebeanordnungen oder Kupplungsvorrichtungen können die
Drehbewegungen jedes einzelnen Schwungrads sowohl bei Aufwärt- als
auch bei Abwärtsfahrt
des Lastenkorbes auf die Treibscheibe übertragen werden bzw. können, umgekehrt,
Drehbewegungen der Treibscheibe auf die Schwungmassen übertragen
werden. Dadurch, dass erfindungsgemäß zwei separate Schwungmassen
mit zugeordneten Umwandlungsmitteln vorgesehen sind, lässt sich
freiwerdende potentielle Energie in Rotationsenergie bei allen denkbaren
Beladungszuständen
des Lastenkorbs austauschen.
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Denn,
wie eingangs erläutert,
es kann bei einer Abwärtsbewegung
des Lastenkorbs je nach dessen Beladungszustand und der sich daraus
ergebenden relativen Masse im Vergleich zu dem Gegengewicht potentielle
Energie freiwerden oder dem Lastenkorb/Gegengewichtsystem zugeführt werden. Beispielsweise
kann ein stufenloses Getriebe eingesetzt werden, um eine Drehzahldifferenz
zwischen dem ersten Schwungrad und dem zweiten Schwungrad auf die
Treibscheibe zu übertragen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Förderanlage
ein die erste Schwungmasse, die zweite Schwungmasse und die Treibscheibe
derart getriebemäßig miteinander
verbindendes Differenzgetriebe aufweist, dass die Treibscheibe proportional
zu dem Betrag einer Drehzahldifferenz zwischen den Schwungmassen bewegbar
ist. Dabei ist jede dem Fachmann bekannte Bauart eines Differenzgetriebes
prinzipiell im Rahmen der Erfindung geeignet. Zum Beispiel kann
das Differenzgetriebe als Differentialgetriebe ausgestaltet sein.
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Insbesondere
hat sich erfindungsgemäß als vorteilhaft
erwiesen, dass das Differenzgetriebe als Planetengetriebe mit einem
Sonnenrad, mehreren von einem Planetenträger getragenen Planetenrädern und
einem Hohlrad mit einer Innenverzahnung, wobei die Planetenräder mit
dem Sonnenrad und der Innenverzahnung des Hohlrads kämmend angeordnet
sind, ausgestaltet ist, wobei vorzugsweise die Treibscheibe mit
der Welle des Hohlrads verbunden ist. Die erfindungsgemäße Verwendung
eines Planetengetriebes ermöglicht
auf diese Weise die Speicherung der potentiellen Energie in einer
ersten Schwungmasse und einer zweiten Schwungmasse, welche jeweils
gegensinnig zueinander rotieren, um Rotationsenergie zu speichern.
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Wenn
gleichzeitig jeder Schwungmasse separat ein Elektromotor, welcher
gleichermaßen
als Generator betreibbar ist, zugeordnet ist, ist es im Rahmen der
Erfindung möglich,
durch ein wechselseitiges Betreiben jeweils eines Elektromotors
als Generator zum Antreiben des jeweils anderen Elektromotors im
Motorbetrieb eine Abbremsung der mit dem als Elektromotor betriebenen
elektrischen Motor verbundenen Schwungmasse zu erzeugen. Die auftretende
Drehzahldifferenz zwischen der ersten Schwungmasse und der zweiten
Schwungmasse kann erfindungsgemäß über das
Planetengetriebe auf die Treibscheibe der Förderanlage übertragen werden. Das beiderseitige
Abbremsen der gegenläufig
rotierenden Schwungmassen kann bei der hier betrachteten Ausführungsvariante
der Erfindung unter Verwendung eines Planetengetriebes im Rahmen der
Erfindung gleichermaßen
mechanisch durch geeignete schaltbare Kupplungen erzielt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Förderanlage
sind Verbindungsmittel einer, vorzugsweise mittels einer Steuerung,
trennbaren, vorzugsweise elektrischen, Verbindung zwischen den Mitteln
zum Umwandeln einer freigesetzten Energie und/oder Mitteln zum Umwandeln
einer Rotationsenergie jeder Schwungmasse untereinander vorgesehen.
Die Verbindungsmittel können
im Rahmen der Erfindung im einfachsten Fall als elektrische Leitung
ausgestaltet sein mit einem Schalter. Wenn gleichzeitig eine elektrische Maschine
zur Umwandlung der Energien eingesetzt wird, lässt sich ein Energieübertrag
mit Vorteil beispielsweise dadurch erreichen, dass man gespeicherte
Rotationsenergie über
einen von der Schwungmasse angetriebenen Generator mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Leitung
in Form von elektrischer Energie zum Antreiben des Lastenkorbs verwendet.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Verfahrensaufgabe wird bei einem
Verfahren zum Betreiben einer Förderanlage
nach einem der Ansprüche
1 bis 6 dadurch gelöst,
dass während
eines die potentielle Energie des aus dem Lastenkorb und ggf. dem
Gegengewicht gebildeten Systems vermindernden vertikalen Fahrvorgangs
des Lastenkorbs eine drehbar gelagerte Schwungmasse die während des
Fahrvorgangs freigesetzte Energie zu einer rotatorischen Bewegung
umsetzend angetrieben wird und/oder ein die potentielle Energie
des aus dem Lastenkorb und ggf. dem Gegengewicht gebildeten Systems
erhöhender
vertikaler Fahrvorgang des Lastenkorbs durch Umwandlung einer in
einer etwaigen rotatorischen Bewegung der Schwungmasse gespeicherten Rotationsenergie
unterstützt
und/oder erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen energieeffizienten
Betrieb einer Förderanlage,
in dem bei bestimmten Fahrvorgängen
freigesetzte potentielle Energie durch Versetzen einer Schwungmasse in
eine Drehbewegung in Form von Rotationsenergie zwischengespeichert
wird. Im Rahmen der Erfindung wird die zwischengespeicherte Rotationsenergie
bei einem entgegengesetzten Fahrvorgang des Lastenkorbs dem System
zu einem späteren
Zeitpunkt wieder rückgeführt. Die
An- und Abkopplung der Schwungmasse von dem Lastenkorb kann elektrisch oder
auch mechanisch, etwa durch geeignete Kupplungen oder Getriebeanordnungen,
realisiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass
bei zwischengespeicherter Rotationsenergie in den Schwungmassen
ein Weiterbetrieb der Förderanlage
auch beispielsweise bei einem Stromausfall für begrenzte Zeit möglich ist.
Insbesondere kann die nächstgelegene
Haltestelle des Lastenkorbes noch angefahren werden. Das Verfahren
ermöglicht
prinzipiell auch einen Betrieb der Förderanlage ohne Gegengewicht.
Da für
den Fall, daß in
die Förderanlage bereits
Energie eingebracht wurde, prinzipiell nur noch die durch Reibungsverluste
und andere Effekte verlorengehende Energie aufgebracht werden muss, ergibt
sich neben der Energieeinsparung ferner der Vorteil, dass der Antrieb
der Treibscheibe kleiner dimensioniert sein kann. Ebenso kann im
Falle der Verwendung von Elektromotoren zum Antrieb der Treibscheibe
eine geringere Anschlussleitung mit entsprechend kleiner dimensionierten
Zuleitungen mit kleinem Querschnitt verwendet werden. Aufgrund der zwischengespeicherten
Energie in Form von Rotationsenergie können auch etwaige Notstromaggregate kleiner
ausgelegt werden.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Umwandlung der
während
des Fahrvorgangs freigesetzten Energie in eine rotatorische Bewegung
und/oder zur Unterstützung
und/oder Erzeugung des die potentielle Energie erhöhenden vertikalen
Fahrvorgangs eine sowohl als Generator als auch als Motor betreibbare elektrische
Maschine verwendet. Das An- und Abkoppeln der Treibscheibe von den
Rotationsbewegungen der als Speicher für Rotationsenergie dienenden
Schwungmassen kann auf diese Weise ohne den Einsatz mechanischer
Bauteile, wie zum Beispiel Kupplungen, erfolgen. Beispielsweise
kann mit Vorteil die Rotation der Schwungmassen zum Antreiben eines
elektrischen Generators verwendet werden, dessen elektrische Ausgangsleistung
dem elektrischen Antrieb der Treibscheibe zugeführt wird, um auf diese Weise
die Rotationsenergie zum Antreiben des Fahrkorbs wiederzuverwerten.
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In
bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine
erste Schwungmasse und eine zweite Schwungmasse verwendet, wobei
der ersten Schwungmasse eine erste elektrische Maschine und der
zweiten Schwungmasse eine zweite elektrische Maschine zum Umwandeln
einer freigesetzten Energie und/oder zum Umwandeln einer Rotationsenergie zugeordnet
werden, wobei
die erste Schwungmasse, die zweite Schwungmasse und
die Treibscheibe getriebemäßig derart
miteinander verbunden werden, dass die Treibscheibe proportional
zu dem Betrag in der Drehzahldifferenz zwischen den Schwungmassen
bewegt wird, wobei
während
eines die potentielle Energie des aus dem Lastenkorb und ggf. dem
Gegengewicht gebildeten Systems verminderten vertikalen Fahrvorgang
des Lastenkorbs die zweite elektrische Maschine als die erste elektrische
Maschine mit elektrischer Energie versorgender Generator betrieben
wird und
zur Erzeugung und/oder Unterstützung des die potentielle Energie
des aus dem Lastenkorb und ggf. dem Gegengewicht gebildeten Systems
erhöhenden vertikalen
Fahrvorgangs des Lastenkorbs die elektrische Maschine als die zweite
elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgender Generator
betrieben wird. Bei diesem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird
somit mit Vorteil die beim Betrieb der Förderanlage rückgewonnene
Energie in zwei gegensinnig rotierenden Schwungmassen gespeichert.
Die Schwungmassen sind über
ein Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, derart miteinander
verbunden, dass die betragsmäßige Drehzahldifferenz
zwischen beiden Schwungmassen auf die Treibscheibe übertragen
wird. Mit dem Begriff betragsmäßige Drehzahldifferenz
ist zum Beispiel bei gegenläufig
rotierenden Schwungmassen der Wert gemeint, der sich ergibt, wenn
man die Differenz zwischen dem Betrag der Drehzahl der ersten Schwungmasse
und dem Betrag der Drehzahl der zweiten Schwungmasse bildet. Je
nachdem, ob die erste oder die zweite Schwungmasse mit einer dem
Betrage nach höheren
Drehzahl rotiert, ergibt sich die Rotationsrichtung der Treibscheibe,
die entsprechend den Fahrkorb zu einer Abwärtsfahrt oder einer Aufwärtsfahrt
antreibt. Zur Erzeugung einer solchen Drehzahldifferenz zwischen
den beiden Schwungmassen wird je nach gewünschter Bewegungsrichtung unter
Berücksichtigung
des relativen Massenverhältnisses
zwischen dem Tragkorb und dem Gegengewicht die von einer Schwungmasse über einen Generator
erzeugte elektrische Energie zum Abbremsen der anderen Schwungmasse
verwendet. Dazu wird die von dem Generator generierte elektrische
Energie in den Motor der anderen Schwungmasse derart eingespeist,
dass diese abgebremst wird. Der Elektromotor erzeugt also ein gegenläufiges Drehmoment,
welches eine Abbremsung der rotierenden Schwungmasse bewirkt. Die
entsprechend erzeugte betragsmäßige Drehzahldifferenz
ist bei geeigneter elektrischer Steuerung beliebig regelbar, um den
Fahrkorb in kontrollierter Weise in Bewegung zu setzen.
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Die
Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten
den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
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Funktionsmäßig gleiche
Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
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1:
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Förderanlage und deren Funktionsweise;
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2:
grafische Darstellung des Verlaufs der Fahrkorbgeschwindigkeit sowie
der Drehzahl der Schwungmassen bei einer Aufwärtsfahrt des Fahrkorbs der
Förderanlage
gemäß 1,
wobei der Fahrkorb unbeladen und daher leichter als das Gegengewicht
ist;
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3:
Darstellung entsprechend 2, jedoch für eine Abwärtsfahrt des leeren und daher
im Vergleich zu dem Gegengewicht leichteren Fahrkorb.
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Die 1 zeigt
schematisch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Förderanlage
in Form einer Treibscheibenaufzugsanlage. Die Aufzugsanlage 1 besteht
im Wesentlichen aus einem Fahrkorb 2, der über ein
schematisch dargestelltes Tragseil 3 mit einem Gegengewicht 4 verbunden
ist. Das Tragseil 3 ist über eine Treibscheibe 5 geführt. Die
Treibscheibe 5 ist mit einem Differenzgetriebe 6 verbunden.
Das Differenzgetriebe 6 verfügt über drei Wellen. Dabei ist
eine erste Antriebswelle 7 und eine zweite Antriebswelle 8 derart
in das Differenzgetriebe 6 eingeleitet, dass die Treibscheibe 5 über eine
nicht dargestellte Abtriebswelle mit einer betragsmäßigen Drehzahldifferenz zwischen
der ersten Antriebswelle 7 und der zweiten Antriebswelle 8 beaufschlagt
wird. Gemäß dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel
ist das Differenzgetriebe 6 insbesondere als Planetengetriebe ausgestaltet,
wobei die erste Antriebswelle 7 mit dem Sonnenrad, die
zweite Antriebswelle 8 mit dem Hohlrad und die Treibscheibe 5 mit
dem Planetenträger verbunden
ist.
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Mit
der ersten Antriebswelle 7 ist eine erste Schwungmasse 9 starr
verbunden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist die Schwungmasse als zylindrischer Vollkörper ausgestaltet, der entlang
einer Längsachse
mit der ersten Antriebswelle 7 verbunden ist. Die erste
Schwungmasse 9 kann beispielsweise aus Beton oder Blei
bestehen. Gleichermaßen ist
die zweite Antriebswelle 8 mit einer zweiten Schwungmasse 10 verbunden.
Die zweite Schwungmasse 10 entspricht baulich der ersten
Schwungmasse 9 und ist auf die entsprechende Weise mit
der zweiten Antriebswelle 8 starr verbunden.
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Die
erste Antriebswelle 7 steht mit einem ersten Elektromotor 11 in
Wirkverbindung. Der Elektromotor 11 ist als Generator 11a betreibbar,
wobei der Generator 11a von der ersten Antriebswelle 7 antreibbar
ist.
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Gleichermaßen ist
der erste Elektromotor 11 als Motor 11b betreibbar,
wobei er in dieser Betriebsweise die erste Antriebswelle 7 antreibt.
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In
analoger Weise steht die zweite Antriebswelle 8 mit einem
zweiten Elektromotor 12 in Wirkverbindung. Der zweite Elektromotor 12 entspricht
im Aufbau in jeder Hinsicht dem ersten Elektromotor 11 und
kann entsprechend als die zweite Antriebswelle 8 antreibender
Motor 12b wie auch als von der zweiten Antriebswelle 8 angetriebener
Generator 12a betrieben werden.
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Das
Differenzgetriebe 6 ist so beschaffen, dass bei gegensinnige
Rotation der ersten Schwungmasse 9 und der zweiten Schwungmasse 10 mit
betragsmäßig gleicher
Drehzahl y1 bzw. y2 die
Treibscheibe 5 nicht rotiert.
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Der
erste Elektromotor 11 ist mit einer elektrischen Leitung 13 mit
einem Unterbrechungsschalter 14 versehen. Alternativ zu
einem Unterbrechungsschalter kann im Rahmen der Erfindung gleichermaßen auch
ein, insbesondere elektronischer, Frequenzumrichter verwendet werden.
Allgemein sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die Begriff
Unterbrechungsschalter und Leitung funktional zu verstehen als Einrichtungen,
die einen gezielten Austausch elektrischer Energie zwischen den
beiden Elektromotoren ermöglichen.
Die konkrete Ausgestaltung bereitet dem zuständigen Fachmann keine Probleme
und muß daher
an dieser Stelle nicht näher ausgeführt werden.
Die erste elektrische Leitung 13 verbindet bei geschlossenem
Schalter 14 im Generatorbetrieb des ersten Elektromotors 11 den
Generator 11a mit dem Motor 12b des zweiten Elektromotors 12,
wenn der zweite Elektromotor 12 im Motorbetrieb betrieben
wird.
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In
entsprechender Weise ist der zweite Elektromotor 12 mit
einer zweiten elektrischen Leitung 15, die einen zweiten
Unterbrechungsschalter 16 enthält, versehen. Die zweite elektrische
Leitung 15 verbindet bei geschlossenem Unterbrechungsschalter 16 im
Generatorbetrieb des Elektromotors 12 den Generator 12a mit
dem Motor 11b des Elektromotors 11, wenn der erste
Elektromotor 11 im Motorbetrieb betrieben wird.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
am Beispiel des in 1 schematisch gezeigten Treibscheibenaufzugs
erläutert.
Dabei wird auf die 2 und 3 Bezug
genommen.
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Dazu
wird beispielhaft angenommen, dass der Fahrkorb 2 unbeladen
ist. Gemäß einer üblichen Auslegung
des Gegengewichts 4 beträgt die Masse des Gegengewichts 4 die
Summe aus der Leermasse des Fahrkorbs 2 zzgl. der halben
Nennlast des Fahrkorbs 2. Somit ist der Fahrkorb 2 in
dem nachstehend beschriebenen Beispiel leichter als das Gegengewicht 4.
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Zum
Initialisieren der erfindungsgemäßen Aufzugsanlage 1 werden
zunächst
die beiden Schwungmassen 9, 10 mit Hilfe der Motoren 11a, 12a der
zugehörigen
Elektromotoren 11, 12 gegenläufig zueinander derart in eine
Rotationsbewegung beschleunigt, daß der Betrag der Drehzahlen
beider Schwungmassen 9, 10 stets übereinstimmt.
Zweckmäßig wird
man dazu eine allgemein bekannte Regelung verwenden. Dieser Vorgang
wird beendet, bis die Schwungmassen 9, 10 eine
gewünschte
Drehzahl und dementsprechend eine gewünschte Rotationsenergie erreicht
haben. Die für
diesen Initialisierungsvorgang erforderliche Leistungsaufnahme kann kleiner
als die üblicherweise
zum Betreiben einer herkömmlichen
Aufzugsanlage benötigte
sein. Denn das Beschleunigen der Schwungmassen 9, 10 ist
zunächst
unabhängig
von einer Rotationsbewegung der Treibscheibe 5 und kann
daher über
einen längeren
Zeitraum erfolgen. Beispielsweise kann das Beschleunigen der Schwungmassen 9, 10 auch
im Stillstand des Fahrkorbs 2 während der Türöffnungszeiten erfolgen.
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Alternativ
kann zum „Aufladen” der Schwungmassen 9, 10 mit
Rotationsenergie auch wie folgt vorgegangen werden. Zunächst wird
ein Ausgangszustand betrachtet, bei dem sich der Fahrkorb 2 in
seiner untersten Haltestelle befindet. Ausgehend von dieser Haltestelle
wird nun der Fahrkorb 2 in die oberste Haltestelle gefahren.
Da das Gegengewicht 4 schwerer als der leere Fahrkorb 2 ist,
wird bei diesem Fahrvorgang die potentielle Energie des aus dem
Fahrkorb 2 und dem Gegengewicht 4 gebildeten Systems
vermindert. Die dabei freigesetzte Energie wird bei diesem Fahrvorgang
verwendet, um über
die mit dem Planetenträger
des Differenzgetriebes 6 verbundene Treibscheibe 5 die
Schwungmassen 9, 10 anzutreiben. Um bei diesem
Vorgang sicherzustellen, daß die
Schwungmassen 9, 10 gegensinnig zueinander angetrieben
werden, muß über eine
geeignete Regelung ein Zusammenwirken der Elektromotoren 11, 12 derart
sichergestellt werden, daß diese
im Wechsel zwischen Generator- und Motorbetrieb die aufgenommene
Energie in geeigneter Weise auf die Schwungmassen 9, 10 verteilen.
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Nachstehend
wird das Verfahren zum Betreiben der Aufzugsanlage gemäß 1 beschrieben. Dabei
wird davon ausgegangen, dass der Fahrkorb 2 leer und damit
leichter als das Gegengewicht 4 ist. Ferner wird angenommen,
dass die erste Schwungmasse 9 mit einer Drehzahl y1 und die zweite Schwungmasse 10 mit
einer Drehzahl y2 gegenläufig zu der ersten Schwungmasse 9 dreht.
Der Betrag der Drehzahl y1 ist identisch
mit dem Betrag der Drehzahl y2 der zweiten
Schwungsmasse 10. Es ist somit bei diesem Ausgangszustand
Rotationsenergie in der ersten Schwungmasse 9 und der zweiten
Schwungmasse 10 gespeichert. Bei der hier betrachteten
Ausführungsform
mit zylindrischen, massiven Schwungmassen 9, 10 errechnet
sich die gespeicherte Rotationsenergie mit der Masse m und dem Radius
r beider Schwungmassen 9, 10 nach folgender Beziehung: Erot = 2 × ½(½mr2)y½
2 =
1/2mr2y½
2.
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Ausgehend
von diesem Zustand erhält
nun der Fahrkorb ein Aufwärtskommando.
Dazu wird im Prinzip der zweite Unterbrechungsschalter 16 in
der zweiten elektrischen Leitung 15 geschlossen, um den
Generator 12a des Elektromotors 12, der über die
zweite Antriebswelle 8, die mit der zweiten Schwungmasse 10 starr
verbunden ist, angetrieben wird, an den Motor 11b des ersten
Elektromotors 11, der die erste Antriebswelle 7 mit
der ersten Schwungmasse 9 antreibt, anzuschließen. Es
wird also der von dem Generator 12a des Elektromotors 12 erzeugte
elektrische Strom in den Motor 11b des ersten Elektromotors 11 eingespeist.
Dabei wird die zweite Schwungmasse 10 aufgrund der Umwandlung
von Rotationsenergie in elektrische Energie verzögert. Durch die Antriebswirkung
des Motors 11b des ersten Elektromotors 11 auf
die erste Antriebswelle 7 wird die erste Schwungmasse 9 beschleunigt,
bis der Fahrkorb 2 die gewünschte Nenngeschwindigkeit
erreicht hat.
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Der
Verlauf der Geschwindigkeit v des Fahrkorbs 2 über der
Zeit ist in Teil (a) der 2 in dem Beschleunigungsbereich 17 veranschaulicht.
In Teil (b) der 2 ist der Verlauf der Drehzahl
y1 der ersten Schwungmasse 9 sowie
der Drehzahl y2 der zweiten Schwungmasse 10 in
dem entsprechenden Zeitintervall 17 dargestellt. Die Darstellung
dient nur zur Veranschaulichung des Prinzips unter Vernachlässigung
von Reibungsverlusten und anderen Verlusten. Wie zu erkennen, erhöht sich
der Betrag der Drehzahl y1 der ersten Schwungmasse 9,
wohingegen sich der Betrag der Drehzahl y2 der
zweiten Schwungmasse 10 vermindert. Wie jedoch ebenfalls zu
erkennen, ändern
sich die Drehzahlen y1, y2 nicht im
gleichen Maße.
Die Drehzahl y2 der zweiten Schwungmasse 10 hat
negatives Vorzeichen, entsprechend dem gegensinnigen Umlauf der
zweiten Schwungmasse 10 im Vergleich zur ersten Schwungmasse 9.
Die sich in dem Zeitintervall 17 ergebende Drehzahlsummierung,
welche auf die Treibscheibe 5 übertragen wird, führt zu einer
Rotation der Treibscheibe.
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Die
in Teil (a) der 2 gezeigte Geschwindigkeit v
des Fahrkorbs 2 ergibt sich nach den allgemeinen bekannten
Beziehungen aus der Formel v = 2π(y1 + y2)r, wobei
mit r der Radius der Treibscheibe 5 bezeichnet ist und
wobei y2 eine negative Größe ist.
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Eine
Beschleunigung des Fahrkorbs 2 im Beschleunigungsintervall 17 erhält man,
da die Drehzahlerhöhung Δy11 der ersten Schwungmasse 9 größer ist
als die Drehzahlverminderung Δy21 der zweiten Schwungmasse 10.
Im Prinzip wird also die erste Schwungmasse 9 verzögert und
die zweite Schwungmasse 10 beschleunigt, bis der Fahrkorb 2 seine
Nenngeschwindigkeit erhalten hat. Die Steuerung kann über eine
geeignete Regelung erfolgen.
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In
dem Zeitintervall 18 wird der unbeladene Fahrkorb 2 im
Prinzip durch das Gegengewicht 4 nach oben gezogen. Dabei
wechseln der erste Elektromotor 11 und der zweite Elektromotor 12 über eine geeignete
Regelung zwischen einem Motorbetrieb 11b, 12b und
einem Generatorbetrieb 11a, 12a, um die Geschwindigkeit
v des Fahrkorbs 2 konstant zu halten. Die durch das Herabbewegen
des Gegengewichts 4, welches schwerer ist als der leere
Fahrkorb 2, freiwerdende potentielle Energie wird dabei
in Rotationsenergie der ersten Schwungmasse 9 und der zweiten
Schwungmasse 10 umgewandelt.
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In
der 2(a) ist für das Zeitintervall 18 zunächst ersichtlich,
dass die Fahrgeschwindigkeit v konstant ist. Gleichzeitig ist in
Teil (b) der 2 zu erkennen, dass sich der
Betrag der Drehzahl y1 der ersten Schwungmasse 9 über das
Zeitintervall 18 um einen weiteren Betrag Δy12 erhöht.
Gleichzeitig erhöht sich
der Betrag der Drehzahl y2 der zweiten Schwungmasse 10 in
dem Zeitintervall 18 um den Betrag Δy22.
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In
dem Zeitintervall 19 wird der Fahrkorb 2 abgebremst
bis zum Stillstand. Über
die Regelung wird dafür
mit dem ersten Elektromotor 11 im Generator 11a elektrischer
Strom erzeugt, der in den zweiten Elektromotor 12b des
Elektromotors 12 eingespeist wird. Die erste Schwungmasse 9 wird
dabei verzögert
und die zweite Schwungmasse 10 wird dabei beschleunigt,
bis der Fahrkorb 2 die gewünschte Haltestelle erreicht
hat und die Schwungmassen 9, 10 gegenläufig gleiche
Drehzahl y1 bzw. y2 haben.
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Nach
dem in 2 gezeigten Fahrvorgang des Fahrkorbs 2 befindet
sich der Fahrkorb 2 in einer höheren Haltestelle. Gleichzeitig
befindet sich das Gegengewicht 4 in einer niedrigeren Position.
Das zusammengesetzte System aus Fahrkorb 2 und Gegengewicht 4 hat
somit eine niedrigere potentielle Energie als vor dem Fahrvorgang.
Die freigewordene potentielle Energie ist in Form von Rotationsenergie in
den Schwungmassen 9, 10 gespeichert. Denn beide
Schwungmassen 9, 10 haben eine entsprechend größere Drehzahl
y1 bzw. y2. Dies
ist in 2(b) gut zu erkennen.
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Bezugnehmend
auf 3 wird nachstehend wiederum für den Fall eines unbeladenen
Fahrkorbs 2, dessen Masse entsprechend geringer ist als
jene des Gegengewichts 4, das Beispiel einer Abwärtsfahrt
des Fahrkorbs 2 erläutert.
Wie bei 2 wird von einem Ausgangszustand
ausgegangen, in welchem die erste Schwungmasse 9 und die
zweite Schwungmasse 10 jeweils gegenläufig mit einer betragsgleichen
Drehzahl y1 bzw. Drehzahl y2 rotieren. Die
Darstellung in 3 entspricht genau jener der 2.
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Die
Abwärtsfahrt
des Fahrkorbs 2 ist in der idealisierten Betrachtungsweise
unterteilt in ein zeitliches Beschleunigungsintervall 20,
ein Intervall 21 mit konstanter Geschwindigkeit des Fahrkorbs
bei der Abwärtsfahrt
sowie ein Verzögerungsintervall 22 der Abwärtsfahrt.
Im Bereich des Beschleunigungsintervalls 20 bei der Abwärtsfahrt
wird den Schwungmassen 9, 10 Rotationsenergie
entzogen, welche in Hubarbeit am System aus Fahrkorb 2 und
Gegengewicht 4, also in potentielle Energie dieses Systems,
einerseits und in kinetische Energie des Systems andererseits umgesetzt.
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In 3(b) ist ersichtlich, dass die Drehzahl y1 der ersten Schwungmasse 9 sich
in dem Zeitintervall 20 vermindert. Gleichzeitig erhöht sich
die Drehzahl y2 der zweiten Schwungmasse 10 in
besagtem Zeitintervall 20 betragsmäßig, jedoch in entgegengesetzter
Richtung. Die Steigung der Kurve y2 ist
größer als
jene der Kurve y1.
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Zur
Erzeugung dieser Bewegung wird der Generator 11a des Elektromotors 11 zur
Erzeugung elektrischen Stromes betrieben, wobei der erzeugte elektrische
Strom in den Motor 12b des elektrischen Motors 12 eingespeist
wird. Dabei wird die Schwungmasse 9 verzögert und
die Schwungmasse 10 beschleunigt, bis der Fahrkorb 2 seine
Nenngeschwindigkeit erreicht hat.
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Im
Zeitintervall 21 fährt
der Fahrkorb 2 mit konstanter Geschwindigkeit v abwärts. Dazu
verbleibt der Elektromotor 11 im Generatorbetrieb 11a, wobei
der erzeugte elektrische Strom, mit welchem der Motor 12b betrieben
wird, über
die Steuerung reduziert wird, bis sich eine konstante Geschwindigkeit v
des Fahrkorbs 2 einstellt. Im Zeitintervall 21 wird den Schwungmassen 9, 10 Rotationsenergie
entnommen. Dies erkennt man in 3(b) durch
die Verminderung der Drehzahlen y1, y2 beider Schwungmassen 9, 10.
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Schließlich wird
im Verzögerungsintervall 22 der
Fahrkorb 2 wieder bis zum Stillstand abgebremst. Dazu erzeugt
der Generator 12a des zweiten Elektromotors 12 im
Generatorbetrieb elektrischen Strom, der in den Motor 11b des
ersten Elektromotors 11 eingespeist wird. Dabei wird wie
im Zeitintervall 20 der weiter unten unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen
Abwärtsfahrt
die zweite Schwungmasse 10 verzögert und die erste Schwungmasse 9 wird
beschleunigt, bis der Fahrkorb 2 seine Haltestelle erreicht
hat und die Schwungmassen 9, 10 gegenläufig gleiche
Drehzahlen y1 bzw. y2 haben.
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Nach
dem in 3 gezeigten Fahrvorgang befindet sich der Fahrkorb 2 in
einer niedrigeren Haltestelle, gleichzeitig befindet sich das Gegengewicht in
einer höheren
Position. Das System aus Fahrkorb 2 und Gegengewicht 4 hat
somit eine höhere
potentielle Energie. Beide Schwungmassen 9, 10 haben eine
unter Vernachlässigung
aller Verluste entsprechend geringere gegenläufige Rotationsgeschwindigkeiten
y1 bzw. y2. Die
für die
die potentielle Energie des Systems erhöhende Abwärtsfahrt des leeren Fahrkorbs 2 benötigte Energie
wurde somit der Rotationsenergie der Schwungmassen 9, 10 entnommen.
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Somit
ist eine Förderanlage,
insbesondere Aufzugsanlage, und ein Verfahren zum Betreiben einer
solchen vorgeschlagen, welches die bei bestimmten Fahrvorgängen freigesetzte
potentielle Energie in Rotationsenergie zwischenspeichert und bei die
potentielle Energie des Systems erhöhenden Fahrvorgängen die
zwischengespeicherte Rotationsenergie zur Erzeugung des Fahrvorgangs
wieder abgibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufzugsanlage
- 2
- Fahrkorb
- 3
- Tragseil
- 4
- Gegengewicht
- 5
- Treibscheibe
- 6
- Differenzgetriebe
- 7
- erste
Antriebswelle
- 8
- zweite
Antriebswelle
- 9
- erste
Schwungmasse
- 10
- zweite
Schwungmasse
- 11
- erster
Elektromotor
- 11a
- Generator
- 11b
- Motor
- 12
- zweiter
Elektromotor
- 12a
- Generator
- 12b
- Motor
- 13
- erste
elektrische Leitung
- 14
- erster
Unterbrechungsschalter
- 15
- zweite
elektrische Leitung
- 16
- zweiter
Unterbrechungsschalter
- y1
- Drehzahl
der ersten Schwungmasse
- y2
- Drehzahl
der zweiten Schwungmasse
- 17
- Beschleunigungsintervall
(Aufwärtsfahrt)
- 18
- Intervall
Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit des Fahrkorbs (Aufwärtsfahrt)
- 19
- Verzögerungsintervall
(Aufwärtsfahrt)
- 20
- Beschleunigungsintervall
(Abwärtsfahrt)
- 21
- Intervall
Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit des Fahrkorbs (Abwärtsfahrt)
- 22
- Verzögerungsintervall
(Abwärtsfahrt)