DE1909532C3 - Antrieb für Anlagen mit großem Trägheitsmoment - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb lur Anlagen mit großem Trägheitsmoment und mit elastisch verformbaren Verbindunge.i, z. B. für einen Turmkran, mit einem Asynchronmotor, mit einer mit diesem gekuppelten elektromagnetischen Verzögerungseinrichtung und mit einer Regeleinrichtung zur Veränderung des von der Verzögerungseinrichtung gelieferten Gcgendrehmomenls durch Veränderung der Gleichstromerregung der Magnelisierungsspule der Verzögerungseinrichtung gemäß einer bestimmten Funktion.

Es ist bekannt, daß bei plötzlicher Ausüblingeines Drehmoments mit endlichem Wert auf eine Last mit großer Trägheit über elastische Verbindungen Schwingungen hervorgerufen werden, deren Amplitude einen hohen Wert annehmen kann. Daraus ergibt sich einerseits eine große Ungenauigkeit in der Anordnung der Last und andererseits ergeben sich Verformungen der elastischen Verbindungsorgane, welche gefährlich werden können. Solche Schwingungen entstehen insbesondere:

heim Anlaufen, wenn das Ankiufdrclimoiiicnt einen hohen Wert besitzt, welcher insbesondere höher ist als der Wert des Drehinoments bei normalem Betrieb;

beim Beginn einer Verzögerungsperiode, wenn man ein mechanisches Bremsdrehmoment mit praktisch von tier Drehzahl unabhängigem Wert ausübt;

am Finde der Verzögerungsperiode nahe der Haltestellung, wobei das mechanische Bremsdruhmoment auch fur sehr geringe Werte der Drehzahl einen endlichen Wert behält und seine Richtung gleichzeitig mit der Neigung zur Bewegung ändert.

[■s ist bekannt, daß zur Verminderung dieser Nachteile Asynchronmotoren einen Schleifringläufer aufweisen, welcher mit einer Anordnung von Widerstanden verbunden ist, die man in den Stromkreis nach einem vorbestimmten Programm einschaltet.

Bei einem bekannten Antrieb der eingangs genannten Art (AEG-Mitteilungen, 1W>1. S. 2h(> 270) sind vier Schleifringläufermotoren vorhanden, bei welchen mittels Schulzen nach einem bestimmten Programm einerseits Läuferwiderstände stufenweise zu- und abgeschaltet werden und andererseits die Erregung von als Verzögerungseinrichtungen dienenden

^ Wirbelstrombremse!! stufenweise verändert wird, um beim Hochlaufcn und Bremsen eine Momentcnstufung zu erhalten. Der zeitliche Ablauf wird dabei durch Stufenzeitrelais gesteuert.

Ein so aufgebauter Antrieb ist nur mit Schleifring-

läufermotoren realisierbar, die nicht die Robustheit von Käfigläufermotoren haben, die Schützensteuerung ist aufwendig und teuer und das Drehmoment läßt sich nur stufenweise verändern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb zu schaffen, bei welchem sich das Gcgcndrehmoment beim Hochlaufcn und Bremsen auf einfachere und wirtschaftlichere Weise einstellen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Antrieb der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch

^ao gekennzeichnet, daß der Gleichstrommerregerkreis der Magnetisierungsspule eine Schaltung mit einstellbarer Zeitkonstante enthält, welche den Erregerslrom derart kontinuierlich verändert, daß während wenigstens eines Teils der Anlaufperiode das resultierende

^a5 Drehmoment des Antriebs mit der Drehzahl zunimmt. Bei dem Antrieb nach der Erfindung kann der Asynchronmotor mit massivem Läufer oder mit Käfiganker gewählt werden, und man erhält eine kompakte, weniger kostspielige, widerstandsfähige und

geringe Wartung erfordernde Anordnung. Außerdem läßt sich das Drehmoment automatisch und stufenlos verändern.

Es ist zwar bekannt, bei einem Asynchronmotor mit Käfigläufer und Bremseinrichtung (DE-PS 144 493) ein durch Mehrphasenstrom erzeugtes vielpoliges Drehfeld zu benutzen, um deivMotor zu bremsen, wobei dieses Drehfeld in dem massiven Teil des glockenförmig ausgebildeten Läufers die zur Bremsung erforderlichen Wirbelströme erzeugt. Im Gegensatz dazu arbeitet jedoch hei dem Antrieb nach der Erfindung die Verzögerungseinrichtung mit einem stationären Feld, und das Gegendrehmomenl wird automatisch so dosiert, daß sich die angestrebte Drehmomentdrehzahlkennlinie des Antriebs ergibt.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielshalber näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 Kennlinien des Antriebs nach der Erfindung, und

Fig. 3 das Schaltbild einer elektronischen Regeleinrichtung der Verzögerungseinrichtung des Antriebs nach der Erfindung.

Die bei dem im folgenden beschriebenen Antrieb vorgesehene elektromagnetische Verzögerungseinrichtung weist einen Anker in Form einer Trommel aus magnetischem und leitendem Material, ζ. Β aus Gußstahl auf, der auf die Welle eines mit einem massiven Läufer versehenen Asynchronmotors aufgekeilt ist. Die Trommel umgibt einen feststehenden Induktor, weichet aus einem Magnetkreis und einer Magnetisierungsspule besteht, die mit einer Gleiehspannungsquelle verbunden ist. Diese herkömmlich aufgebaute Verzögerungseinrichtung braucht nicht näher beschrieben zu werden.

In Fig. 1 sind die Kennlinien ties Asynchronmotors und tier Verzögerungseinrichtung tiargestellt. In die scr Figur ist auf tier Abszisse die Drehzahl ,V der Welle in Umdrehungen je Minute und auf tier Ordinate das Drehmoment C in mkp aufgetragen. Die ge-

strichelte Kurve »ι stellt die Änderung des von dem fur sich befruchteten Asynchronmotors gelieferten Drehmoments als Funktion der Drehzahl dar. Infolge der Verwendung eines massiven Läufers fallt dieses Drehmoment kontinuierlich vom Wert C₁₁ des Anlaufdrehmoments und wird bei der Synchrondrehzahl ;V_v Null. Eine solche Kennlinie ist insbesondere für den Schwenkantrieb eines Turmkrans vorteilhaft, welche mit konstant veränderlichen Drehzahlen arbeiten sollen, die unterhalb der Synchrondrehzahl N, liegen. Die Kurven <i, bis o₅ stellen andererseits die Veränderung des von der Verzögerungseinrichtung gelieferten Gegendrehmoments dar, wobei jede dieser Kurven einer konstanten Stromstärke in der Magnetisierungsspule der Verzögerungseinrichtung entspricht. Beider in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform entspricht die Kurve </, einer Stromstärke von ein Ampere in der Spule, die Kurve U₂ entspricht zwei Ampere und so weiter und die Kurve u₅ entspricht fünf Ampere. Diese Stromwerte -können natürlich ^ao verändert werden, indem die Wiekfungszahl der Spule oder die Abmessungen oder die elektrischen oder magnetischen Eigenschaften des Induktors und des Ankers geändert werden. Schließlich stellt die Gruppe der Kurven r_t bis r_t in Abhängigkeit von der Drehzahl ^aS die Veränderung des erhaltenen resultierenden Drehmoments dar, wobei jede dieser Kurven einer konstanten Stromstärke in der Spule entspricht. Beispielsweise wird die Kurve »·, durch Subtraktion der Ordinate der Kurve </, für eine bestimmte Drehzahl N 3» von der Ordinate der Kurve //; für die gleiche Drehzahl erhalten. Die Kurve /·, stellt infolgedessen in Abhängigkeit von der Drehzahl die Veränderung des erhaltenen resultierenden Drehmoments dar, wenn man die Stromstärke in der Spule der Verzögerungseinrichtung gleich zwei Ampere hält.

Keine der Kurven /·, bis r, entspricht natürlich einzeln einem zufriedenstellenden Betrieb, da insbesondere der Drehzahlbereich auf ausreichend unterhalb der Synchrondrehzahl /V_s liegende Werte begrenzt ist.

Ks wird deshalb zunehmend die Stromstärke in der Magnetisierungsspule geändert und infolgedessen der Wert des Gegendrehinoments derart eingestellt, daß eine befriedigende Arbeitskennlinie erzielt wird. Beim Anlaufen und bis zu einem Zeitpunkt, in welchem der Antrieb eine Drehzahl /V₁ erreicht, wird die Stromstärke in der Spule auf ihrem Maximalwert, beispielsweise vier Ampere, gehalten. Das Gcgendrehmoment wird dabei durch die Kurve α_Λ dargestellt und wachst von einem Wert Null bis zu einem Wert C₁. Sodann wird die Stromstärke in der Spule derart verringert, daß in einem Zeitpunkt, in welchem der Antriebeine Drehzahl /V, erreicht, die Stromstärke gleich drei Ampere ist. Das von der Verzögerungseinrichtung gelieferte Gegendrehmoment wird sodiinn durch den auf der Kurve «,gelegenen Punkt C, wiedergegeben. Man verringert weiterhin die Stromstärke in der Spule derart, daß der Antrieb die Drehzahlen /V, und sodann /V₄ erreicht, wobei die Stromstärke in der Spule gleich zwei Ampere und sodann ein Ampere ist. Das Gegendrehmoment wird sodann durch den Punkt C, und sodann den Punkt C, wiedergegeben, welche jeweils auf den Kurven </, bzw. Ii₁ gelegen sind. Die Verringerung der Stromstärke wird fortgesetzt, bis /u einem Zeitpunkt, in welchem man den Strom in der Spule /u Null macht, wobei der Antrieb eine Drehzahl /V, erreicht hat. Die so erzielte dynamische Veränderung des Gcgcndichmomcnts ist in Abhängigkeit von der Drehzahl durch die Kurve A in Fig. 2 wiedergegeben, wobei die Abszissen und die Ordinaten die gleichen sind wie in Fig. 1. Indem die Ordinaten der Kurve A von den Ordinaten der Kurve m subtrahiert werden, welche der gleichen Drehzahl entsprechen, erhält man die Kurve R (Fig. 2), die in Abhängigkeit von der Drehzahl die Veränderung des resultierenden Drehmoments für den durch die Kurve A festgelegten Dereich wiedergibt. Beim Anlaufen wird die Kurve R in der Richtung d durchlaufen.

Man unterscheidet auf der Kurve R drei Phasen, weiche drei Laufbereiche des Antrieb« festlegen:

Von der Geschwindigkeit Null bis zur Geschwindigkeit /V₁ sinkt das resultierende Drehmoment sehr schnell und nahezu linear mit der Drehzahl. In dieser Phase ist die Stromstärke in der Spule der Verzögerungseinrichtung konstant gleich ihrem Maximalwert, das heißt vier Ampere bei dem betrachteten Beispiel, und das Gegendrehmoment erhöht sich mit der Drehzahl (Kurve A).

Von der Drehzahl /V₁ bis zur Drehzahl N₅, bei welcher der in die Verzögerungseinrichtung geleitete Strom Null wird, geht das resultierende Drehmoment durch ein Minimum und vergrößert sich sodann zunehmend mit der Drehzahl. In dieser Phase läßt man das Gegeiidrehmoment mit der Drehzahl zunehmend absinken.

Von der Drehzahl /V₅ bis zur Synchrondrehzahl /V₁ ist das resultierende Drehmoment gleich dem Motordrehmoment (Kurve »1, Fig. I).

In der ersten Phase (die Drehzahl ändert sich von Null bis N₁) werden die elastischen Verbindungen zwischen der Last und dem Antrieb einem Drehmoment mit dem großen Anfangswert C₁₁ unterworfen, welches sehr schnell abfällt, wenn sich die Drehzahl erhöht. Die eine sehr große Trägheit aufweisende Last bleibt in dieser Phase praktisch unbeweglich und die von dem Antrieb gelieferte Energie speichert sich in Form potentieller elastischer Energie durch Verformung der Verbindungen, beispielsweise durch Drehverlormung des Masts des Kraus.

Das Ausmaß des Ansteigens des Gegendrehmoinents wird in dieser ersten Phase derart eingestellt, daß der während dieser Phasv gespeicherte Gesumtdrehwinkel einer sehr geringen Verformung der elastischen Verbindungen entspricht. Dieses Ergebnis wird erzielt, indem man den Wert des in die Verzögerungseinrichtung während dieser Phase gelieferten Stroms in Abhängigkeit von der Trägheit der sich drehenden Teile des Antriebs einstellt.

So beträgt bei einem typischen Heispiel eines Antriebs zum Schwenken eines 'Turmkrans das Anlaufdrehmoment C₁, des Asynchronmotors 3 mkp, wobei das Trägheitsmoment der sich drehenden 'Teile 0,01 mkp see" beträgt. Die Stromstärke in der Spule der Verzögerungseinrichtung wird in dieser Phase auf ei nem Wert von vier Ampere bis zum Zeitpunkt gehalten, in welchem der Antrieb eine Winkelgeschwindigkeit von 15 rad/sec erreicht, das heißt eine Drehzahl /V₁ von etwa 143 U/min. Das von der Verzögerungseinrichtung gelieferte Gegendrehmoment entspricht der Kurve u₄ in Fig. 1, und this resultierende Dreh moment entspricht der Kurve 1 ₄, welche die Abszissenachse bei einer Drehzahl von elwa 240 U/min schneidet. Unter diesen Bedingungen laßt sich leicht errechnen, daß die Drehzahl von 143 U min 0,OX Se künden nach dem Anlaufen erreicht wird Der Cie

samtdrehwinkel der Welle ist in diesem Zeitpunkt gleich 0.7 rad. Wenn man die große Untersetzung zwischen dem Antrieb und dem Mast des Kraus berücksichtigt, so sieht man. daß in dieser Phase der Mast praktisch nicht verformt wird.

Wenn die zweite Phase beginnt, welche von der Drehzahl N₁ bis zur Drehzahl Λ/, reicht, ist die in den elastischen Verbindungen gespeicherte potentielle Hncrgic infolgedessen sehr gering und genügt nicht /ur Auslösung von Schwingungen der Last. Da am Anfang dieser /weiten Phase das resultierende Drehmoment einen kleinen Wert C₁ besitzt und sodann nur allmählich steigt, wird keinerlei Schwingung ausgelost.

Um den Antrieb zu verlangsamen und anzuhalten, schaltet man natürlich die Stromzufuhr des Asynchronmotors ab und erzeugt über die Verzögerungseinrichtung ein Bremsdrehmoment. Der Strom in der Spule der Verzögerungseinrichtung wird zunehmend von einem Wert Null bis zu einem Maximalwert erhöht und auf diesem letzteren Wert bis zum vollständigen Stillstand gehalten. Die Kurve Fin Fig. 2 zeigt die Veränderung des Bremsdrehmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl für den Fall, daß der Deginn der Bremsung erfolgt, wenn die Vorrichtung sich mit ihrer Maximaldrchzahl /V₁ dreht, wobei die Kurve F in Richtung/durchlaufen wird.

Das anfänglich auf dem Wert Null befindliche Bremsdrehmoment erhöht sich nur allmählich derart, daß bei Beginn der Bremsung keinerlei Schwingung ausgelöst werden kann. Da andererseits das Bremsdrehmoment automatisch im gleichen Zeitpunkt verschwindet wie die Drehzahl, kann auch keine Schwingung beim Anhalten des Antriebs entstehen.

Bei einem Stromausfall wird das von der Verzögerungseinrichtung gelieferte Bremsdrehmoment Null. In diesem Fall werden durch den Federspeicher einer Elektrobremsc die Bremsung und das Anhalten des Antriebs gewährleistet.

Eine automatische Regeleinrichtung fur den der Magnetisierungsspule der Verzögerungseinrichtung zugeführten Strom wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.

Die Magnetisierungsspule 24 der Verzögerungseinrichtung liegt in dem Kollektorkreis eines npn-Leistungstransistors 61. Die Basis des Transistors 61 ist mit einer Verstärkerstufe verbunden, welche einen Transistor 62 aufweist, dessen Kollektor mit der positiven Klemme 63 einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle über einen Widerstand 64 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 61 und 62 sind direkt mit der negativen Klemme 65 der Spannungsquelle verbunden. Die Basis des Transistors 62 ist mit einem Eingangskreis mit doppelter Zeitkonstante verbunden. Ein Widerstand 67 und ein Kondensator 68, welche in Reihe liegen, bilden einen ersten Kreis mit Zeit konstante, welcher mit den Klemmen 63, 65 der Spannungsquelle über einen Unterbrecher 71 verbunden ist. Der gemeinsame Punkt des Widerstands 67 und des Kondensators 68 ist andererseits mit einem Widerstand 66 verbunden, welcher mit dem Kondensator 68 einen zweiten Kreis mit Zeitkonstante bildet. Der Widerstand 66 ist mit der Basis des Transistors 62 verbunden.

Eine Diode 69 ist parallel zur Magnetisierungsspule 24 und entgegengesetzt /um Transistor 61 geschaltet, um Überspannungen in der Spule 24 vorzubeugen. Wenn der Transistor 62 gesperrt ist, wird die Basis desTransistors6l aiii ein positives Potential gebracht, und der Transistor 61 gibt in die Magnetisierungsspule 24 seinen Maximalstrom ab, welcher durch den Ohm sehen Wert des Widerstandes 64 bestimmt ist. Umgekehrt, wenn sieh der vom Transistor 62 abgegebene Strom erhöht, vermindert sieh das Potential der Basis des 'Transistors 61 entsprechend und der von diesem letzteren Transistor abgegebene Strom verringert sich.

Wenn man zunächst annimmt, daß beim Schließen

des Unterbrechers 71 der Kondensator 68 entladen ist, befindet sich die Basis des Transistors 62 auf dem Potential der negativen Klemme 65 der Spannungs-C]UcIIe, der Transistor 62 ist gesperrt und der Strom in der Magnetisierungsspule 24 der Verzögerungseinrichtung 3 ist infolgedessen maximal. Der Kondensator 68 lädt sich sodann mit einer durch den Ohmschcn

^ao Wert des Widerstandes 67 und die Kapazität des Kondensators 68 bestimmten Zeitkonstante auf. bis die Leitfähigkeitsschwellc des Transistors 62 erreicht ist. Der Kondensator 68 lädt sich sodann weiter mit praktisch der gleichen Zeitkonstante auf. wobei der in die

^a5 Basis des Transistors 62 abgezweigte Strom bezüglich des durch den Widerstand 67 gelieferten Ladestroms vernachlässigbar ist. Der Kollektorstrom des Transistors steigt sodann gemäß einer im wesentlichen exponentiellen Zeitfunktion, und der Strom in der Magnctisierungsspule 24 sinkt gemäß der gleichen Funktion bis auf einen Wert Null. Der auf die Verzögerungseinrichtung gegebene Strom hat daher einen maximalen Anfangswert, wird auf diesem Wert während einer sehr kurzen Zeit gehalten, welche dem Zeitpunkt I₁ des Anlaufens der Vorrichtung entspricht, und sinkt sodann zunehmend. Diese Änderungsfunktion ist infolgedessen für das Anlaufen des Antriebs passend.

Bei der Bremsperiode öffnet man den Unterbreeher 71. Der Kondensator 68 ist in diesem Zeitpunkt geladen, und der Strom in der Magnetisicrungsspulc 24 ist Null. Der Kondensator 68 entlädt sich sodann über den Widerstand 66 und die Basis des Transistors 62 mit einer Zeitkonstante, welche eine Funktion des

♦5 Ohmschcn Werts des Widerstands 66 und der Kapazität des Kondensators 68 ist. Der Kollektorstrom des Transistors 62 sinkt gemäß einer im wesentlichen exponentiellen Funktion, und der Strom in der Magnetisierungsspule 24 wächst gemäß der gleichen Funktion bis zum Maximalwert des vom Transistor 61 abgegebenen Stromes. Man erhält so eine zeitliche Veränderung des der Verzögerungseinrichtung zugeführten Stromes in Übereinstimmung mit der für die Bremsung erforderlichen Funktion.

Um die Arbeitsweise automatisch zu machen, genügt es, mechanisch die Steuerung des Unterbrechers 71 mit der eines Unterbrechers oder Kontaktgebers zu kuppeln, welcher im Stromzuführungskreis des Asynchronmotors angeordnet ist.

Durch Einstellung der Ohmschen Werte der Widerstände 66,67 und 64 kann man die Änderung des von der Verzögerungseinrichtung gelieferten Gegendrehmoments an die mechanischen Eigenschaften des Antriebs und der von diesem angetriebenen mechanisehen Anlage anpassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Antrieb für Anlagen mit großem Trägheitsmoment und mit elastisch verformbaren Verbindungen, z. I). für einen Turmkran, mit einem Asynchronmotor, mit einer mit diesem gekuppelten elektromagnetischen Verzögerungseinrichtung und mit einer Regeleinrichtung zur Veränderung des von der Verzögerungseinrichtung gelieferten Gegendrehmoments durch Veränderung der Gleichstrommerregung der Mugnctisierungsspule der Verzögerungseinrichtung gemäß einer bestimmten Funktion, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromerregerkreis (63, 65) der Magnetisierungsspulc (24) eine Schallung (61,62, 64, 66,67, 68, 71) mit einstellbarer Zoitknnstante enthält, welche den Erregerstrom derart kontinuierlich verändert, daß während wenigstens eines Teils der Anlaufperiode das resultierende Drehmoment des Antriebs mit der Drehzahl zunimmt (Kurve R, Fig. 2).