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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Aufzugsanlage und eine Aufzugsanlage.
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Als Alternative zum Seilantrieb hat sich im Aufzugsbau mittlerweile der Linearantrieb herauskristallisiert. Ein solcher Linearantrieb umfasst fest im Aufzugsschacht installierte Statoreinheiten und zumindest eine fest am Fahrkorb installierte Läufereinheit. Die Erfindung ist anwendbar bei einer Aufzugsanlage, welche einen Fahrkorb und einen solchen Linearantrieb zum Antreiben des Fahrkorbs aufweist. Bei einer Aufwärtsfahrt darf der Fahrkorb grundsätzlich maximal mit Erdbeschleunigung abgebremst werden. Eine schnellstmögliche grenzwertig sichere Verzögerung kann erreicht werden, in dem der Antrieb neutral gestellt wird. Wirken zusätzlich zur Erdbeschleunigung weitere nach unten gerichtete Bremskräfte auf den Fahrkorb ein, so wird der Fahrkorb mit einer Verzögerung abgebremst, die betragsmäßig größer als die Erdbeschleunigung ist. Diese erhöhte Verzögerung kann bereits durch den Rollwiderstand von Führungsrollen erzeugt werden.
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Für die im Fahrkorb befindlichen Personen bedeutet dies den Verlust der Bodenhaftung und damit eine erhebliche Verletzungsgefahr. Um das Abbremsen für den Fahrgast komfortabel zu gestalten, wird zum Abbremsen die Antriebsleistung kontinuierlich verringert; es ergibt sich so eine Verzögerung, die deutlich geringer als die Erdbeschleunigung ist.
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Eine Fehlfunktion des Linearantriebs kann zum einen eine Unterbrechung der Antriebskraft nach oben bewirken, so dass der Fahrkorb aufgrund der Erdbeschleunigung abgebremst wird; zum anderen kann durch einen Kurzschluss schlagartig eine auf den Fahrkorb nach unten wirkende Antriebskraft erzeugt werden. Somit wird der Fahrkorb mit mehr als der Erdbeschleunigung verzögert und der Fahrgast wird nun unweigerlich mit dem Kopf voran gegen die Decke geschleudert.
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Eine solche gefährliche Verzögerung des Fahrkorbs kann zwar mit einem am Fahrkorb angebrachten Beschleunigungssensor ermittelt werden. Der ermittelte Verzögerungswert muss allerdings sehr schnell an eine Sicherheitseinrichtung übertragen werden, welche geeignete Sicherheitsmaßnahmen einleiten kann. Zur Signalübertragung zwischen einem Fahrkorb und im Schacht installierten Einheiten werden zunehmend drahtlose Datenübertragungswege verwendet, um auf das Hängekabel verzichten zu können. Solche Hängekabel sind bei Aufzugsanlagen mit mehr als zwei Kabinen pro Schacht nicht mehr einsetzbar. Die vorhandenen drahtlosen Datenübertragungswege, z.B. WLAN, verzögern die Datenübertragung allerdings um wichtige Millisekunden und sind daher zu langsam und damit zu unzuverlässig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Gefahren zu reduzieren. Dies wird erreicht durch ein Verfahren zum Betreiben einer Aufzugsanlage nach dem Anspruch 1 sowie eine Aufzugsanlage nach Anspruch 4; bevorzugte Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, wobei die beschriebenen Ausgestaltungen und Vorteile gleichermaßen auf das Verfahren und auf die Vorrichtung anwendbar sind.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben einer Aufzugsanlage vorgesehen. Die Aufzugsanlage umfasst einen Fahrkorb, der innerhalb eines Aufzugsschachts verfahrbar aufgenommen ist, und einen Linearantrieb zum Antreiben des Fahrkorbs. Der Linearantrieb umfasst eine am Aufzugsschacht fest angebrachte Statoranordnung mit einer Vielzahl von Statoren und einem am Fahrkorb angebrachten Läufer. Die Statoranordnung weist eine Mehrzahl von elektromagnetischen Spulen auf, die jeweils über eine Phase eines Mehrphasenwechselstroms betrieben werden können. Die Aufzugsanlage umfasst insbesondere eine Mehrzahl, insbesondere mehr als zwei Fahrkörbe, die in einem gemeinsamen Aufzugsschacht verfahrbar sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen des Mehrphasenwechselstroms zum Betreiben der Statoranordnung und damit zum Antreiben des Fahrkorbs, insbesondere zum Bereitstellen einer aufwärtsgerichteten Antriebskraft für den Fahrkorb,
Überwachen eines Verzögerungswertes der Aufzugsanlage anhand von Sensoren, welche fest im Aufzugsschacht installiert sind,
Überführen des Linearantriebes in einen Sicherheitsbetriebszustand, falls im Schritt Überwachen ein Verzögerungswert oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ermittelt wird.
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Durch die Verwendung von fest im Aufzugsschacht installierten Sensoren kann sowohl auf eine drahtlose Datenübertagung als auch eine Datenübertragung der Verzögerungswerte per Hängekabel verzichtet werden. Die Datenübertragung kann folglich auch ohne Hängekabel drahtgebunden erfolgen und damit äußerst schnell zu einer Sicherheitssteuerungseinrichtung übertragen werden, welche geeignete Sichermaßnahmen einleitet.
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Vorzugsweise wird zum Überwachen der Verlauf eines Phasenwinkels des Mehrphasenwechselstroms gemessen wird und daraus eine Verzögerung des Phasenwinkels berechnet wird. Aus der Verzögerung des Phasenwinkels lassen sich unmittelbar Rückschlüsse auf die Verzögerung des Fahrkorbs ermitteln, da die Phasen unmittelbar die Verzögerungskräfte erzeugen. Der Phasenwinkel lässt sich anhand einer Überwachung der Phasenströme ermitteln, was örtlich unmittelbar am Wechselrichter oder an den Verbindungsleitungen zwischen Wechselrichter und Spulen der Statoren durchführbar ist. Die örtliche Nähe zum zuständigen Wechselrichter ermöglicht auch eine schnelle drahtgebundene Signalkette vom Sensor bis zum Wechselrichter, der ggf. in einen Sicherheitsbetriebszustand zu überführen ist.
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Aufgrund von Elastizitäten in der Regelstrecke (z.B. Kondensatoren und Induktivitäten im Linearmotor, gefederte Aufhängung des Läufers am Fahrkorb) bewirkt eine Phasenwinkelbeschleunigung erst mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung („delay“) eine Verzögerung (im Sinne einer negativen Beschleunigung) des Fahrkorbs; durch die Überwachung der Phasenwinkelverzögerung kann folglich eine Verzögerung des Fahrkorbs um wenige Millisekunden vorhergesagt werden und somit wichtige Zeit zur Einleitung von Sicherheitsmaßnahmen gewonnen werden.
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Als Sensoren zur Überwachung des Verzögerungswertes werden bevorzugt Strommessgeräte zur Messung der Phasen des Mehrphasenwechselstroms verwendet.
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Die erfindungsgemäße Aufzugsanlage umfasst neben den o.g. Bestandteilen Sensoren, die eingerichtet sind zum Überwachen eines Verzögerungswertes der Aufzugsanlage, eine Steuerungseinheit, eingerichtet zum Überführen des Linearantriebes in einen Sicherheitsbetriebszustand, falls ein Verzögerungswert oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes ermittelt wird. Die erfindungsgemäße Aufzugsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren fest im Aufzugsschacht installiert sind.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert; es zeigen
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1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Aufzugsanlage mit einem Linearmotor;
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2 den Verlauf der Phasen eines Mehrphasenwechselstroms zum Betreiben des Linearmotors während einer Aufwärtsfahrt mit konstanter Geschwindigkeit mit jeweiligen Zeigerdarstellungen;
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3 eine der Zeigerdarstellungen in Detailansicht;
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4 relevante mathematische Zusammenhänge zur Zeigerdarstellung;
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5 den Verlauf der Phasen des Mehrphasenwechselstroms während einer Aufwärtsfahrt mit Fehlfunktion mit jeweiligen Zeigerdarstellungen ohne Sicherheitsabschaltung;
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6 die Geschwindigkeit und die Verzögerung der Phasen während der Aufwärtsfahrt mit Fehlfunktion;
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7 den Verlauf der Phasen des Mehrphasenwechselstroms während einer Aufwärtsfahrt mit Fehlfunktion mit jeweiligen Zeigerdarstellungen mit Sicherheitsabschaltung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Aufzugsanlage
1. Diese umfasst einen Fahrkorb
2, der innerhalb eines Aufzugsschachts
7 vertikal verfahrbar aufgenommen. Für den Antrieb sorgt ein Linearmotor
3, der eine fest im Schacht installierte Statoranordnung
4 und einen am Fahrkorb
2 angebrachten Läufer
5 umfasst. Die Statoranordnung
4 umfasst eine Vielzahl von Statoren K..Q, die nacheinander entlang des Aufzugsschachts
7 angeordnet sind und über einen zugeordneten Wechselrichter
9 K..
9 Q betrieben werden. Die Wechselrichter versorgen die zugeordneten Statoren K..Q mit jeweils einem Mehrphasenwechselstrom I
UVW mit zumindest drei Phasen I
U, I
V, I
W; einzelne Spulen u, v, w der Statoren A..G werden gezielt mit jeweils einem Phasenstrom I
U, I
V, I
W beaufschlagt. Weitere erläuternde Beschreibungen zum Antreiben eines Fahrkorbs mittels eines Linearantriebs ist beispielsweise in der Internationalen Patentanmeldung
WO 2016/102385 A1 offenbart, dort in Verbindung mit einem Synchronmotor.
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Wenn der Fahrkorb nach oben in Fahrtrichtung 6 bewegt wird, werden die Spulen, die sich im Einflussbereich des Läufers befinden, gezielt jeweils einer Phase des Mehrphasenwechselstroms beaufschlagt, wie es in 2 gezeigt ist. Demnach erzeugen die Wechselrichter 9 jeweils sinusförmige aufeinanderfolgende Phasenströme IU, IV, IW, jeweils phasenversetzt um 120°, bei 3-phasigen Statoren. Die Aktivierungen der Spulen u, v, w des zweiten Stators L schließen sich dabei unmittelbar an die Aktivierungen der Spulen u, v, w des ersten Stators K an. Somit wird durch die Spulen u, v, w ein wanderndes Magnetfeld erzeugt, welches den Läufer 5 vor sich hertreibt.
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2 zeigt hierzu den Verlauf der einzelnen Phasenströme IuK, IvK, ... IwQ, während einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit; darunter sind die Zeigerdiagramme der Phasen zu den jeweiligen Zeitpunkten gezeigt.
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3 zeigt eines der Zeigerdiagramme in größerer Darstellung und dient zur Veranschaulichung von verwendeten Begriffen und mathematischen Zusammengängen, die in 4 gezeigt sind. Der Zeiger zeigt in eine Richtung entsprechend des jeweils geltenden Phasenwinkels eines Stators. Auf der 12 Uhr Stellung beträgt der Phasenwinkel 0°. Nun verändert sich die Phase mit einer Phasenwinkelgeschwindigkeit φ „Punkt“ = ω in Richtung Phasenwinkel 120°. Die Phasenwinkelgeschwindigkeit ist konstant und wird im Folgenden mit „ω“ bezeichnet (I). Die Phasenwinkelbeschleunigung a sowie die Phasenwinkelverzögerung b ist demnach 0 (II).
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Während des Betriebs eines Elektromotors, insbesondere eines Synchronmotors, ist die Phasengeschwindigkeit synchronisiert auf die Geschwindigkeit des Läufers 3. Die Geschwindigkeit V des Läufers 3 ist unter Berücksichtigung der Länger L des Stators (siehe 1) linear abhängig von der Phasenwinkelgeschwindigkeit ω (III). Ebenso ist die Beschleunigung A, bzw. die Verzögerung B des Läufers linear abhängig von der Phasenwinkelbeschleunigung a bzw. der Phasenwinkelverzögerung b (IV), (V).
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Als Verzögerung b, B wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung stets der negative Wert der Beschleunigung a, A verstanden und ist somit ein Maß für das Abbremsen. Je größer die Verzögerung B, b desto stärker wird der zugehörige Geschwindigkeitswert ω, V von einem positiven Wert in Richtung 0 abgebremst. Die Verzögerung B ist der relevante Wert bei einer Aufwärtsfahrt des Fahrkorbs ist, welcher das Maß für die einleitend angesprochenen Gefahren darstellt. Je größer (in positiver Richtung) die Verzögerung B ist, desto stärker wird der Fahrgast in Richtung Kabinendecke geschleudert. Eine Verzögerung kleiner 0 bedeutet eine Beschleunigung größer 0 in Fahrtrichtung aufwärts, was eine verstärkte Anpresskraft auf die Füße des Fahrgastes auswirkt und daher kein Schleudern an die Kabinendecke bewirkt.
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In 5 tritt zum Zeitpunkt t1 eine Fehlfunktion auf. Die Polung wird unbeabsichtigt umgedreht; somit laufen die Phasen IVm, IuM und IwL rückwärts. Im Zeigerdiagramm lässt sich nun die Umkehrung der Phasenwinkelgeschwindigkeit ω beim Phasenwinkel 180° erkennen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Phasenwinkelverzögerung b einen Wert deutlich oberhalb eines Grenzwertes bLimit an. Der Grenzwert liegt beispielsweise bei 0,9. Dies hat zwangsläufig eine enorme Verzögerung des Fahrkorbs 2 zur Folge. Diese Fahrkorbverzögerung wird zwar nicht unmittelbar am Fahrkorb 2 gemessen sondern durch die Überwachung der Phasenwinkel hergeleitet.
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Die Überwachung der Phasenwinkelgeschwindigkeit ω erfolgt durch Strommessgeräte 8 an den jeweiligen Phasen, welche jeweils mit einer Sicherheitssteuerungseinheiten 10 A, 10 G drahtgebunden verbunden sind. In der 5 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Sicherheitssteuerungseinheiten zu den äußeren Statoren K, Q eingezeichnet. Die Sicherheitssteuerungseinheiten 10 A..10 G können auch in einer Einheit zusammengefasst sein. Im Falle der Ermittlung einer zu großen Phasenwinkelverzögerung veranlassen die Sicherheitssteuerungseinheiten 10, dass die jeweiligen Wechselrichter in einen Sicherheitsbetrieb überführt werden, in der die massive Verzögerung unterbunden wird. Auch diese Verbindung ist drahtgebunden, so dass die Signalkette von den Sensoren bis hin zum Wechselrichter sehr schnell ist.
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5 zeigt dabei ab dem Zeitpunkt t1 die Verläufe der Phasen, wie sie ohne die Sicherheitsabschaltung verlaufen würden, um hier die Gefahr zu demonstrieren. Im Sicherheitszustand werden nun beispielsweise die Spulen u und v des Stators M und die Spule w des Stators L ausgeschaltet, so dass die Phasen bei konstant I=0 zum Erliegen kommen Dies is in 7 gezeigt.
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Vorteilhaft ist grundsätzlich ein redundanter überlappender Aufbau des Linearantriebs. Dabei wird der Fahrkorb in jedem Betriebszustand durch mehrere Statoren gleichzeitig angetrieben. Hierbei sind die redundanten Statoren mechanisch fest miteinander gekoppelt. Tritt an einem Stator oder an dessen zugeordneten Wechselrichter ein Fehler auf, so führt dies zu einer Beschleunigung oder Verzögerung des elektrischen Drehfeldes dieses Stators. Auf Grund der Trägheit der Masse der Last (Aufzugskabine) kommt es zu einer Veränderung des Polradwinkels (Prinzip einer elektrischen Synchronmaschine). Durch die Veränderung des Polradwinkels kommt es auch zu einer Veränderung der Antriebskraft (Antriebsmoment). Damit ist eine weiche Kopplung bei redundanten Antriebssystemen gegeben. Wird im Bereich der weichen Kopplung eine unzulässige Beschleunigung eines Teilantriebssystem detektiert, so kann dieses individuell abgeschaltet werden.
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Wird der Polradwinkel von 90° überschritten, so kann es zum Kippen des Antriebes kommen. Dabei kann es zu einem Vorzeichenwechsel der Antriebskraft (Antriebsmoment) kommen. Auch hier wird das betroffene Teilantriebssegment abgeschaltet.
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Bei einem nicht redundanten Antriebskonzept hingegen wird bei einem Abschalten die Verzögerung des Fahrkorbs auf die Erdbeschleunigung plus zusätzliche Anteile, die aufgrund von Verlustleistung (Rollreibung der Laufrollen, Luftwiderstand, usw.) begrenzt, was zu einem langsamen Abheben der zu befördernden Personen führen kann. Starke weitere Verzögerungskräfte, die zu einem kraftvollen an die Decke schleudern führen können, wird durch die Abschaltung des Linearantriebs vermieden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufzugsanlage
- 2
- Fahrkorb
- 3
- Linearantrieb
- 4
- Statoranordnung
- 5
- Läufer
- 6
- Fahrtrichtung
- 7
- Aufzugsschacht
- 8
- Strommessgerät
- 9
- Wechselrichter
- 10
- Sicherheitssteuerungseinheit
- K..Q
- Statoren
- u, v, w
- individuelle Spulen
- L
- Länge eines Stators
- V
- Geschwindigkeit des Läufers
- A
- Beschleunigung des Läufers
- B
- Verzögerung des Läufers
- φ
- Phasenwinkel
- ω
- Phasenwinkelgeschwindigkeit
- a
- Phasenwinkelbeschleunigung (positiv in Aufwärtsrichtung)
- b
- Phasenwinkelverzögerung (positiv in Abwärtsrichtung)
- I
- Stromstärke
- IUVW
- Mehrphasenwechselstrom
- IU, IV, IW
- Phasen des Mehrphasenwechselstroms
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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