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Elektromotor-Steuersystem für Krane Die Erfindung bezieht sich auf
ein Elektromotor-Regelsystem zur Steuerung der Antriebsmotore der Krankatzen von
Laufkränen, bei welchen eine von der Krankatze durch ein Seil od.dgl. herabhängende
Last vorhanden ist, die bezüglich der Krankatze Schwingungen ausführen kann.
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Durch die Schwingungsneingung der Laßt gegenüber der Laufkatze bei
Änderungen der Laufkatzenbeschleunigung entstehen bei Laufkränen Schwierigkeiten.
Wenn nämlich die Laufkatze in der einen oder anderen Richtung mit einer konstanten
Rate unter der Wirkung des Laufkatzenantriebsmotors oder der Laufkatzenantriebsmotoro
beschleunigt wird, so nimmt das Seil od. dgl. - an welchem die Last hängt -einen
dieser Beschleunigung eigenen Winkel gegen die Vertikale ein0 Jede Änderung der
Laufkatzenbeschleunigung bewirkt dabei, daß das Seil einen neuen dem neuen Beschleunigungswert
entsprechenden Winkel einnimmt; wenn die Last ihre neus Lage bezüglich der Laufkatze
einnimmt, so wird sie - falls dies nicht verhindert wird - um ihre ue Stellung herum
eine Anzahl von Schwingungen ausführen, die von dem dem System innewohnenden Dämpfungsgrad
abhängt. Normalerweise ist der dem System innewohnende Dämpfungsgrad klein oder
sogar negativ, so daß die
Anzahl der Schwingungen der Last beträchtlich
isto Derartige Schwingungen der Last sind u.a. unerwünscht, weil sie oszillierende
Belastungen auf die Laufkatzenantriebsvorrichtung ausüben und den Leistungsverbrauch
des Laufkatzenantriebsmotors oder der Laufkatsenantriebsmotore vergrößern. Dies
ist insbesondere dann der Falls wenn die Last auf jeder Seite der Vertikalen durch
die Laufkatzenstelle schwingt.
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Gemäß der Erfindung ist ein Elektromotor-Steuersystem durch vorgesehen,
um ein Bezugssignal zu erzeugen,/welches das Drehmoment des Antriebsmotors der Krankatze
eines Laufkranes steuerbar ist, der eine an einem Seil od.dgl. von der Laufkatze
herabhängende Ladung aufweist, die relativ zur Laufkatze schwingen kann, wobsi das
Bezugssignal eine erste Komponents aufweist, welche das gewünschte Motordrehmoment
darstellt und wobei das Bezugssignal ferner eine zweite Komponente enthält, die
aus Signalen abgeleitet ist, welche Parameter der Laufkatze und Last dar stellen,
und welche sich derart ändert, daß jede Schwingungsbewegung der Last bezüglich der
Laufkatze5 die durch den Antriebsmotor infolge einer Änderung der ersten Komponente
auftritt, nicht oszillierend (nicht-schwingend) ist.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung bildet das Bezugssignal das Bezugseingangssignal
für eine Regelschaltung für den Motorankerstrom, wobei der Motorankerstrom entsprechend
dem Bezugssignal derart geregelt wird, daß das Motordrehmoment damit durch einen
konstanten Faktor in Beziehung steht.
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Die zweite Komponente kann dann direkt den Motorankerstrom
darstellen
und proportional zu folgendem Ausdruck sein:
dabei ist die Änderungsrate des Seilwinkels Q in der hinter der Bewegung der Laufkatze
nacheilenden Richtung, h Länge des freien Seiles, h' Vergrößerungerate dor Lange
des freien Seiles, M Gewicht der Last, J Gewicht der Laufkatze, g Gravitationskonstante,
Z eine Konstante Wenn die erste Komponente aus dem Vergleich in einer Beschleunigungsregelschaltung
eines Beschleunigungssignales, welches die tatsächliche Laufkatzenbeschleunigung
angibt mit einem Beschleunigungsbezugssignal, welg ches die gewünschte Laufkatzenbeschleunigung
angibt, hergeleitet wird, so kann die zweite Komponente direkt die Laufkatzenbeschleunigung
darstellen und proporitonal zu folgenden Ausdruck/sein:
wobei 0', h, h', g und Z die oben definierten Werte sind.
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In den beiden obigen Ausdrücken ist. der Ausdruck 2h'#' enthalten,
um die veränderbare durch das Anheben und Absenken der Last eingeführte Dämpfung
zuzulassen. Bei manchen Anwendungen der Erfindung kann dieser Ausdruck
jedoch
weggelassen werden.
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Die Erfindung ist insbesoudere bei Regelsystemen anwendbar, bei welchen
gleichstrommotore als Laufketz n-Antriebsmotore verwendet werden Bei derartigen
Anwendungen hönnen übliche Feldschwächungsverfahren Verwendung finden, um bei gleicher
Nennspannung maximale Motordrehzahlen zu erreichen. Damit die Verminderung des Motorfeldflusses
während der Feldschwächung die Schwingungsregelung nicht beeinflußt, ist eine Multipliziervorrichtung
in das Regelsystem eingebaut, um das Bezugssignal entsprechend der Verminderung
des Feldflusses einzuteilen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung wird das Bezugssignal
durch ein weiteres Signal derart beeinflußt, daß der Laufkatzenantriebsmotor seine
Maximalgeschwindigkeit im wesentlichen gleichzeitig mit der Stellung in eine/vertikal
unterhalb der Laufkatze schwingenden Last erreicht, Das weitere signal kann eine
weitere Komponente des Bezugssignals erzeugens enn das Steuersystem eine Geschwindigkeitsregelschaltung
enthält, was wahrscheinlich ist, so inn die weitere Komponente direkt die Laufkatzengeschwindigkeit
darstellen und proportional zu dem Ausdruck
sein, wenn die zweite Komponente 2h'#' -
| 22 g a t ist oder 2h(8 - 2S F M/ vgho@ wenn die |
| zweite Komponente '!h 4 t - 2Z :V)ghoe isto In |
jedem dieser Ausdriicke für die weitere Komponente kann der Ausdruck 2h'# in einigen
Anwendungsfällen der Erfindung weggelassen werden
Weitere Vorteile
und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von zwei gemäß
der Erfindung ausgebildeten Elektromotor-Steuersystemen zur Steuerung des elektrischen
Antriebsmotors der Krankate eines Laufkranes an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 die mechanische Anordnung der relevanten Icranteile, wobei die Natur
derjenigen Mechanischen Parameter des Kranes dargestellt ist, die in der Beschreibung
verwendet werden; Fig 2 ist ein schematischea Blockdiagramm des ersten Steuersystems;
Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm des zweiten Steuersystems.
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Der Kran weist - vgl. dazu Fig. 1 - eine Lauf- oder Krankatze 10 suf,
die auf Rädern 11 angeordnet und längs einer Schiene 12 mittels eines g.l nicht
gezeigten) Gleichstromantriebsmotors 13 antreibbar ist.
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Auf der Krankatze ist ferner ein (nicht gezeigter)Hubmotor befestigt,
der unabhängig vom Antriebsmotor gesteuert wird, um einen Lastgreifer 14 mittels
eines Greiferseiles 15 anzuheben und abzusenken.
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In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung eines ersten Steuersystems für
den Antriebsmotor 13 dargestellt. Die Feldwicklung 16 des Antriebsmotors wird gesondert
durch eine konstante Gleichspannungsversorgung erregt und die Ankerwicklung liegt
an einer Dreiphasen-Gleichrichterbrücke 17. Entweder die Gleichstromversorgung oder
die Versorgung
von Brücke 17 ist umkehrbar, so daß der Antriebsmotor
in jeder Drehrichtung betrieben werden kann. Ein Shunt 18 liefert auf einer Leitung
19 ein die Größe und den Sinn des Ankerstromes Ia angebendes Signal, Der mit den
Rädern 11 der KranNatze antriebsmäßig gekuppelte Antriebsmotor treibt auch einen
Tachometergenerator 21 an, der auf Leitung 22 ein die Größe und Richtung der Motordrehzahl
angebendes Signal liefert Das vom Shunt 18 kommende Signal auf Leitung 19 bildet
das (negative Rückkopplungs- oder) Gegenkopplungs-Stromsignal für einen (geschlossenen)
Regelkreis, durch den der Notorankerstrom entsprechend einem auf Leitung 23 gelieferten
Strombezugssignal geregelt wird. In bekannter Weise werden die Signale auf den Leitungen
19 und 23 in einem Mischer 24 verglichen und das sich ergebende durch einen Verstärker
25 verstärkte Stromfehlersignal wird zur Steurung der Zündwinkel der Gleichriohter
der Brücke 17 verwendet, so daß sich der Motorankerstrom und somit das Motordrehmoment
entsprechend dem Strombezugssignal ändert.
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Das Strombezugosignal auf Leitung 23 wird grundsätzlich aus dem verstärkten
Drehzahlfehler hergeleitet, nämlich dem Fehler zwischen einer gewünschten Notordrehzahl,
wie sie durch ein Drehzahlbezugssignal auf Leitung 26 dargestellt ist, und dem die
tatsächliche Motordrehzahl darstellenden Signal auf Leitung 22. Die Signale auf
den Leitungen 22 und 26 werden in einem weiteren Mischer 27 verglichen und das sich
ergebende Drehzahlfehlersignal wird nach VerstärLung in einem Verstärker 28 zur
Leitung 23 geführt.
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Ee ist demnaoh zu erkennen, daß der Motor durch eine
(gesclilossene
)Stromregelschaltung gesteuert wird, bei welcher das den gswünschten Ankerstrom
und somit das Motordrehmoment angebende Strombezugssignal im wesentlichen das Drehzahlfehlersignal
einer Drehzahl-Regelschaltung ist. Eine derartige grundlegende Anordnung ist auf
dem Gebiet der Regelsysteme bekan@t und wird deshalb nicht weiter beschriebenc nie
Aufgaben und die Arbeitsweise der verbleibenden mit den Bezugszeichen 30 bis 69
bezeichneten Vorrichtungen des Steuersystems der Fig. 2 ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung In Fig. 1 ist die Laufkatze in einem Abstand von d Fuß von einer gegebenen
Stelle P dargestollt, während sie unter dem Einfluß des Laufkatzenantriebsmotors
aus der Stellung P weg beschleunigt wird. Das Greiferseil 15 weist eine freie Länge
von h Fuß auf und bildet mit der Vertikalen einen Winkel @, während die Laufkatze
derart beschleunigt wird, daß der Greifer 14 y Fuß unterhalb und x Fuß horizontal
- vgl. dazu die Zeichnung - von der vorgegebenen Stellung entferat liegt.
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Die auf den Greifer einwirkenden Kräfte sind sein Gewicht M und die
Sanizung T Seil 15; die auf die Laufkatze einwirkenden Kräfte sind sein Gewicht
J, die Spannung T und die vom Antriebsmotor zur Beschleunigung der Laufkatze auf
diese ausgeübte Kraft F. Die Reibungskräfte und das Gewicht des Greiferseils werden
für die folgende mathematische Behandlung vernachlässigt.
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Eliminiert man T aus den Horizontal- und Vertikal-Zerlegungen der
@ @räfte am Greifer 14 so ergibt sich die Gleichung:
# # II x/sin#
= M(g - y)/cos# (1), # # wobei x und y die Beschleunigungen des Greifers in der
Horizontal- bzwO Vertikal-Richtung sind, und wobei g d die Erdbeschleunigung ist.
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Aus der Geometrie des Systems ergibt sich: x = d - h sin# (2).
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und y = h cos# (3).
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# # Durch Bestimmung von x und y aus den Gleichungen 2 und 3 und
Einsetsung in die Gleichung 1 ergibt sich: # # # d = h# + 2h# + g# (4), # wobei
d die Beschleunigung der Laufkatze von der gegebet nen Stelle P weg ist-, und wobei
Q und Q die erste und zweite Ableitung des Winkels o nach der Zeit sind und wobei
schließlich h und h die Länge bzw die Rate der von Seil Längenvergrößerung des freien
Teiles/15 ist.
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In den obigen Gleichungen und auch in den folgenden Gleichungen wird
# als klein angenommen, so daß cos# annanernd annähernd gleich 1 und sin#/gleich
# (im radianten Meß) ist. Da in der Praxis # 1/10 eines Radianten nicht übersteigt,
wird der durch diese Annäherung eingeführte Fehler vernachlässigbar.
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Die Kraft F ist direkt proportional zum Motordrehmoment
und
daher auch, weil die Antriebsmotor-Feldwicklung 16 gesondert durch eine konstante
Gleichstromversorgung gespeist wird und Reibungsverluste vernachlässigt werden,
zum Ankerstrom Ia des Antriebsmotors, Sie kann daher als kla ausgedrückt werden,
wobei k eine Konstante ist, Löst man die auf die Laufkatze einwirkenden Krüfte in
Horizontalrichtung auf, so erhält man die folgende angenäherte Gleichung: # kIa
= M# + dJ/g (5).
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Setzt man in Gleichung 4 den durch diese Gleichung ge-# gebenen Wert
von d ein, so ergibt sich die weitere Gleichung: # # # gkIa/J = h# + 2h# + (1 +
M/J)g# (6).
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Der Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung 6 stellt das Ansprechen
des Greiferseilwinkels auf eine Stufenänderung im Ankerstrom Ia und somit eine Stufenänderung
im Strombezugssignal dar. Der Ausdruck hat die allgemeine # Form # + b# (b ist eine
Konstante) und ist daher eigenschwingend.
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Der Ausdruck 2hb ist eine kleine Größe, die mit abnehmendem # negativ
wird, wenn der Greifer gesenkt wird, und die dann positiv wird, wenn der Greifer
angehoben und umgekehrt, wenn # ansteigt. Für jeden Sinn (Vorzeichen) # # von #
bildet daher 2h# einen Dämpfungsausdruok für die eine Richtung (Sinn) von h; für
den anderen Sinn h ist
dieser Ausdruck jedoch bestrebt die Amplitude
der Schwingungen zu vergrößern und aus diesem Grunde unerwünscht.
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Es sei zunächst angenommen, daß die Laufkatze anfangs mit einer konstanten
Rate beschleunigt wird, und doß der Grei fer eine Stellung relativ gegenüber der
Laufkatze eingenommen hat, wo das Greiferseil 15 gegenüber der Laufkatze gegenüber
um einen konstanten Winkel/der Vertikalen nacheilt, der dieser Beschleunigung entspricht.
Jede Änderung des Drehzahl- oder Geschwindigkeitsfehlersignals wird, durch eine
Veränderung des Motorankerstroms und somit der Laufkatzenbeschleunigung, das Greiferseil
veranlassen, einen neuen Winkel gegenüber der Vertikalen einzunehmen9 nachdem der
Greifer eine Anzahl von Schwingungen um die neue Relativzu stellung vorgenommen
hat Wenn dar Greifer/der Zeit angehoben oder abgesenkt wird, 80 kann die Schwingung
bis zu der Zeit sich fortsetzen, wo das Anheben oder Absenken beendet wird0 Derartige
Schwingungen des Greifers sind aus den oben erwähnten Gründen unerwünscht und auch
deshalb, weil sie die Greiferstellungsregelung nachteilig beeinflussen, die durch
eins noch zu beschreibende Stellung Regelschaltung vorgesehen ist, Durch Modifikation
des Drehzahlfehlersignals zur Ausbildung des Strombezugssignals auf Leitung 23 (was
im folgenden beschrieben wird) wird jedoch jede Schwingbewegung des Greifers infolge
einer Änderung der Taufkatzenbeschleunigung infolge des Drehzahlfehlersignals nicht
schwingend gemacht, wodurch die Laufkatze eine längere Betriebslebensdauer bei höherer
Wirksamkeit (Wirkungsgrad
) erhält. Weitere Vorteile die sich aus
der Schwingungssteuerung ergeben, erkennt man aus der weiteren Beschreibung und
den Ansprüchen.
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Es sei nunmehr wiederum auf Fig. 2 Bezug genommen, wo zwischen dem
Verstärker 28 und dem Mischer 24 ein weiterer Mischer 30 liegt, der dem verstärkten
Drehzahlfehlersignal ein weiteres Signal zufügt, welches sich proprotional zum folgenden
Ausdruck ändert:
wobei h, Q, M, J. g und h die bereits oben definierten Größen sind, und wobei ferner
g die Gravitationskonstante und Z eine Konstante ist.
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Größe und Richtung dieses Signals - welches im folgenden als das"Modifikationssignal"
bezeichnet wird, sind von solcher Art, daß die Bewegung des Greifers infolge irgend~
einer Änderung des Drehzahlfehlersignals nicht-schwingend ist0 Von den Bestandteilen
des obigen Ausdrucks ißt der Aus-# # druck 2h# der in Gleichung 6 vorkommende Ausdruck.
Durch Einführung dieses Ausdrucks in das Nodifikationss.ignal wird die Bahn des
Greifers unabhangig vom Anheben und Absenken des Greifers gemacht.
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Der Ausdruck
ist ein synthetischer Ausdruck, der zusammen mit dem Ausdruck 2h1O' die nichtoszillierende
Schwingung vorsieht. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß das der für dieses
Eintreten
notwendige Wert von Z annähernd eins ist und die in Fig.
2 dargestellte Schaltung -verwendet diesen Wert.
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Die zur Ableitung des Modifikationssignals vorgesehene Schaltung
ist wie folgt aufgebaut.
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Es werden fortlaufend Messungen der Parameter #, M und h durch die
entsprechenden Vorrichtungen 31, 32 und 33 vorgenommen und als Proportionalsignale
längs der Leitungen 34, 35 und 36 geliefert.
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Eine Differenziervorrichtung 37 ist zur Aufnahme der Signale auf
Leitung 34 eingeschaltet und liefert als oein Ausgangsaignal auf Leitung 38 ein
zu Q proportionales Signal.
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Den Konstanten 2, 1/J. 1 und g proportionale Signale werden an den
entsprechenden Klemmen 40, 41, 42 und 43 vorgesehen, von wo aus sie auf die Leitungen
45, 46, 47 und 48 gelangen.
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Eine Multipliziervorrichtung 50 ist mit den Leitungen 35 und 46 verbunden
und erzeugt ein Signal gleich M/J, wobei dieses Produkt in einem Mischer 51 der
Zahl 1 auf Leitung 47 hinzuaddiert wird. Das Ausgangssignal der Vorrichtung 51 ist
daher 1 + M/J.
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Eine Multipliziervorrichtung 52 empfängt diesee Ausgangssignal und
multipliziert es mit dem Produkt gh, welches durch eine weitere Multipliziervorrichtung
53 aus den Signalen auf Leitung 36 und 48 gebildet wird.
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Das Ausgangssignal der Vorrichtung 52 ist daher (1 +
wird
ferner durch eine Vorrichtung 54 zum Quadratwurzelziehen einer derartigen Operation
unterzogen und sodann in einer weiteren Multiplizierschaltung 55 mit der Zahl 2
auf Leitung 45 multipliziert. Die Ausgangsgröße der Multipliziervorrichtung 55 hat
daher den Wert
und wird in einem Mischer 56 von einem Signal mit dem W-ert 2h abgezogen. Das letztgenannte
Signal erhält man durch eine Multipliziervorr-lchtung 57 aus dem Signal auf Leitung
45 und aus dem Ausgangssignal von der mit der Leitung 36 verbundenen Differenziervorrichtung
58.
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Schließlich wird das Signal vom Mischer 56 in einer Multipliziervorrichtung
59 mit # multipliziert, d.h. mit dem Signal auf Leitung 38. Die Ausgangsgröße der
Multipliziervorrichtung 59 wird als das bereits beschriebene Modifiziersignal verwendet
und hat den erforderlichen Wert
Das Vorhandensein d-leses Modifikationssignales gewährleistet, daß - wie bereits
beschrieben - die Sohwingung des Greifers infolge von Änderungen bei der Laufkatzenbeschleunigung
infolge des Drehzahlfehlersignals nichtoszillierend und unabhängig vom Abheben und
Absenken des Greifers ist« Die Wirkung des Modifikationssignales besteht darin,
wenn beispielsweise die Laufkatzenbeschleunigung vermindert ist, so daß der Greiferseilwinkel
abnimmt, mehr Laufkatzenbeschleunigung anzufordern, so daß der Seilwinkel schließlich
ohne jegliches Überschwingen die besondere stabile Stellung einnimt, die dem neuen
erforderlichen Beschleunigungswert entspricht.
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Damit diese Schwingungsregelung wirksam arbeitet, muß - wenn erforderlich
- immer eine Beschleunigung für die Laufkatze vorhanden sein. Dieser Bedingung ist
jedoch dann nicht genügt, wenn sich der Antriebsmotor seiner maximal angegebenen
Drehzahl ändert, da dann wenig oder keine weitere Beschleunigung mehr verfügbar
ist, Damit die Sohwingungsregelung immer wirksam nein kann, wird ein weiteres Modifikationssignal
verwendet0 Dieses Signal wird im folgenden als "Latent-Geschwindigkeits-" Signal
bezeichnet und stellt diejenige Laufkfltzengesohwindigkeit dar, die durch das Modifikationssignal
bei Ausführung seiner Schwingungsregelungswirkung erzeugt werden würde, während
der Peilwinkel auf eine nichtoszillierende Weise auf Null vermindert wird, Durch
Versetzen eines Teils des Drehzahlfehlersignals durch das latente Geschwindigkeitssignal
wird - vgl. die folgende Beschreibung - der Greifer veranlaßt, seine Stellung vertikal
unterhalb der Laufkatze im wesentlichen in der gleiohen Zeit zu erreichten, wie
die maximal angegebene Drehzahl erreicht wird Der Wert des latenten Geschwindigkeitssignals
ergibt sich aus der folgenden Analyse.
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Aus dem Ausdruck 7 ergibt sich, daß der Anstieg der durch das Modifikationssignal
infolge einer Stufenänderung des Drehzahlfehlersignals gegebenen Beschleunigung
folgenden Wert hat, wobei man Z als eins annimmt:
Der Anstieg der Geschwindigkeit #V, der vom Modifikationssignal
herrührt, bei der Dämpfung der Schwingung von einem anfängliohen Seilwinkel # =
A wird daher durch die folgende Gleichung gegeben:
Nimmt man an, daß h klein ist, eo ergibt sich annähernd
In dem Regelsystem der Sig. 2 wird das latente Geschwindigkeitssignal durch eine
Multipliziervorrichtung 61 erzeugt, deren Eingangsklemmen mit den Ausgängen der
Vorrichtung 31 und des Mischers 56 in Verbindung stehen.
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Das auf diese Weise erhaltene Signal wird an einen Mischer 63 angelegt,
der zwischen @ dem Mischer 27 und dem Verstärker 28 in einem solchen Sinn liegt,
daß er - wenn gewünscht - das Drehzahlfehlersignal versetzt (in eine Abweichung
bringt).
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Die Vervollständigung der bisher beschriebenen Motorregelung wird
durch eine weitereRegelschaltung, eine Greiferstellungs-Regelschaltung geliefert,
und zwar infolge eines Greiferstellung-Bezugssignals, welches an die Klemme 64 angelegt
wird und eine gewünschte Verschiebung des Greifers gegenüber der gegebenen Stellung
P der Fig. 1 angibt.
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Für die Zwecke dieser Stellungs-Regelschaltung ißt das durch den Ausdruck
d - h# (vgl. Fig. 1) gegebene die tatsächliche Greiferstellung angebende Signal
die Differenz aus zwei Signalen, von denen das eine den Parameter d liefert und
durch eine mit der Welle des Antriebsmotors 13 66 gekuppelte Vorrichtung/geliefert
wird, während daß andere hO darstellende Signal durch eine Multipliziervorrichtung
67 geliefert wird, die mit den Leitungen 34 und 36 verbunden ist.
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Das Greiferstellungs-Bezugssignal und die Signale, welche d und hO
darstellen, werden im geeigneten Sinn in einem tlischer 68 summiert, und die Ausgangsgröße
des Mischers, das Greiferstellungs-Fehlersignal wird in einem Verstärker 69 verstt..rkt
und bildet - wie bereits beschrieben - das Drehzahlbezugssignal.
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Bei einer Abwandlung des oben beschriebenen Regelsystems ist eine
Feld-Schwächungsanordnung vorgesehen, um den Motorfeldstrom und somit den Motorfeldfluß
zu vermindern, und zwar proportional zu dem Übersteigen der Motorankerspannung über
beispieleweise 90% ihres Maximalwertes.
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Diese Technik ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Regelsysteme
bekannt
und ermöglicht es, daß die maximale Motordrehzahl bei gleicher Nennspannung vergrößert
wird.
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Damit die Verminderung des Motorfeldflusses während der Peldabschwächung
die Schwingungsregelung nicht beeinflußt, ist in die Leitung 23 eine Multipliziervorrichtung
eingefügt, um das modifizierte Drehzahlfehlersignal vom Mischer 30 mit einem Multiplikationssignal
zu multiplizieren, welches entsprechend jeder Verminderung des Feldstromes ansteigt.
Das Multiplikationssignal ist derart eingeteilt, daß ZU allen Zeiten, sowohl wbhrend
der Feld schwächung als auch bei vollem Feldfluß, das Motordrehmoment mit dem modifizierten
Drehzahlfehlersignal vom Mischer 30 durch die gleiche Proportionalitätskonstante
verbunden ist; das Multiplikationssignal wird daher (während der Feldschwächung)
in umgekehrtem Verhältnis ZU der Konstante k in den Gleichungen 5 und 6 geändert,
In Fig. 3 ist ein zweites gemäß der Erfindung ausgebildetes Regelsystem dargestellt.
Dieses zweite Regel system gleicht in vieler Hinsicht dem Regelsystem gemäß Fig.
1 und hat einen ähnlichen Anwendungsbereich. Der Einf@chheit halber ist dieses Regel
system in seiner Anwendung auf die Regelung des Antriebsmotors 13 der Krankatze
des in Fig. 1 dargestellten Laufkranes beschrieben und dargestellt.
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Das zweite Regelsystem - vgl. dazu Fig. 3 - weist eine Dreiphasen-Gleichrichterbrücke
75 auf, die durch eine Stromregelsohaltung geregelt wird; diese Regelschaltung wird
durch einen Mischer 76, einen Verstärker 77 und einen Anker-Shunt 78 gebildet, wobei
diese Bauteile in einer
Schaltung angeordnet sind, die derjenigen
der Teile 17, 24, 25 und 18 in Fig, 2 entspricht. Wie in Pig 0 2 dient die Gleichrichterbrücke
zur Versorgung der Motorankerwicklung.
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Das Strombezugssignal für die Stromregelschaltung wird auf Leitung
79 geliefert und zwar durch den Beschleunigungs fehler zwischen der gewünschten
durch ein Beschleunigungsbezugssignal auf Leitung 80 dargestellten Motorbeschleunigung
und der tatsächlichen Motorbeschleunigung, welche durch ein Signal auf Leitung 81
durch einen Beschleunigungsmesser 82 dargestellt wird. Die Signale auf den Leitungen
80 und 81 werden in einer weiteren Mischvorriohtung 83 verglichen und das sich ergebende
Beschleunigungsfehlersignal wird nach Verstärkung in einem Verstärker 84 zur Leitung
79 weitergeführt, um das Strombezugssignal für die Stromregelsohaltung zu bilden,
Strom-Wie das/Bezugssignal auf Leitung 23 in Fig. 2 ist das Beschleunigungsbezugssignal
auf Leitung 80 im wesentlichen das(verstärkte) Drehzahlfehlersignal einer Motordrehzahl-Regelschaltung,
die im Grunde aus einem Mischer 85, einem Verstärker 86 und einem Tachometer 87
besteht, Das Drehzahlbezugssignal für die Drehzahl-Steuerschaltung wird auf Leitung
88 empfangen.
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Gemäß der Erfindung weist die Steuerschaltung von Fig.
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3 ein Modifikationssignal auf, um eine nicht-o.zillierende Bewegung
des Greifers bei Änderungen der Laufkatzenbeschleunigung infolge des Drehzahlfehlersignals
zu erzeugen. Dieses Modifikationssignal kann eine einfachere Form aufweisen, als
das Modifikationssignal bei Fig, 2,-weil in Fig. 3 die Beschleunigungsregelsohaltung
vorhanden
ist. In Fig. 3 ändert sich das Modifikationssignal proportional
zu dem Ausdruck:
Die Größen h', ', Z, g und h sind in der gleichen Weise wie oben definiert und werden
einem Mischer mit dem (verstärkten Drehzahlfehlersignal kombiniert.
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Die Schaltung zur Erzeugung des Modifikationssignals ist in folgender
Weise aufgebaute Messungen der Parameter Q und h werden fortlaufend durch die entsprechenden
Vorrichtungen 91 und 92 gemacht und als proportionale Signale längs der Leitungen
97 und 94 übertragen.
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Ferner ist eine Differentiationsvorriohtung 95 vorgesehen, welche
das Signal auf Leitung 93 aufnimmt und als Ausgangssignal auf Leitung 96 ein zu
4 proportionale Signal liefert.
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Die den Konstanten 2 und g proportionalen Signale werden an entspreohenden
Klemmen 97 und 98 vorgesehen, von wo aus sie auf die Leitungen 99 und 100 gelagen.
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Eine Multipliziervorrichtung 101 ist mit den Leitungen 94 und 100
verbunden und erzeugt ein Signal gleich gh; aus diesem Produkt wird sodann die Quadratwurzel
durch die Quadratwurzel-Vorrichtung 102 gezogen und sodann mit der Zahl 2 von der
Leitung 99 in einer weiteren Multlpliziervorrichtung 103 multipliziert.
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Die Ausgangsgrbße der Multipliziervorrichtung 103 hat daber den Wert
und wird in einem Mischer 104 von abgezogen einem Signal mit dem Wert 2h/. Das lbtztgenannte
Signal wird durch eine Multipliziervorriohtung 105 geliefert, und zwar aus dem Signal
auf Leitung 99 und aus dem Ausgangssignal einer mit der Leitung 94 in Verbindung
stehenden Differenziervorrichtung 106.
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Schließlich wird das Signal/vom Mischer 104 in einer Multipliziervorrichtung
107 mit # multipliziert, d.h.
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mit dem Signal auf Leitung 96, um das Modifikationssignal mit dem
erforderlichen Wert
zu bilden.
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Das vorhandensein dieses Modifikationssignals bewirkt -wie bereits
oben beschrieben - daß die Schwingung des Greifers infolge von Änderungen der Laufkatzenbeschleunigung
nicht - oszillierend ist. Ferner ist eie auch wegen des Vorhandenselns des Ausdrucks
2h'#' unabhängig vom Heben oder Senken des Greifers.
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Damit die Schwingungssteuerung nicht dann unwirksam wird, wenn der
Motor 13 seine Maximaldrehzahl erreicht, wird - in Fig, 2 dargestellt - ein latentes
Geschwindigkeitssignal verwendet, um einen weiteren Bestandteil des Strombezugssignals
zu bilden. Wie oben, stellt dieses latente Geschwindigkeitssignal die Laufkatzengeschwindigkeit
dar, die durch das Modifikationssignal bei Durchführung ihrer Schwingungssteuerfunktion
erzeugt werden würde, während der Seilwinkel auf nicht-oszillierende Weiee auf Null
vermindert wird.
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Der Wert für das latente Geschwindigkeitssignal für das
Steuersystem
gemäß Pigo 3 ergibt sich aus der folgenden Analyse: Aus dem Ausdruck 11 orgibt sich,
daß der durch das Modifikationssignal gegebene Beschleunigungsanstieg infolge einer
Stufenänderung des Drehzahlfehlersignals - wenn man Z als eins annimmt, folgenden
Wert hat
Der Anstieg der Geschwindigkeit#V, der sich aus dem Modifikationssignal ergibt,
bei der Dämpfung der Schwingung von einem anfängliohen Seilwinkel 8 = A ist daher
durch die folgende Gleichung gegeben:
Nimmt man an, daß h klein ist, so ergibt sich annähernd:
In Fig. 3 wird das latente Geschwindigkeitssignal durch eine Multipliziervorrichtung
108 gebildet, deren Eingangsklemmen mit den Ausgängen der Vorrichtung 91 und des
Mischers 104 in Verbindung stehen.
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Das auf diese Weise erzeugte Signal wird an einen Mischer 109 angelegt,
der zwischen dem Mischer 65 und dem Verstärker 86 in einem solchen Sinn eingeschaltet
ist, daß er - wenn gewünscht - das Drehzahlfehlersignal versetzt (in eine Abweichung
bringt).
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Wie in Fig. 2 wird das Drehzahlbezugssignal für die Motordrehzahl-Regelschaltung
aus dem Greiferstellungsfehler
abgeleitet, den man aus einem Vergleich
des Greiferstellungsbezugssignals mit einem die tatsächliche Greiferstellung angebenden
Signal erhält und aus der Größe dh3 berechnet. Wie man aus Fig. 3 erkennt, wird
das Greiferstellungsbezugssignal an eine Klemme 110 angelegt und in einem Mischer
111 in geeigneter Weise mit Signalen kombiniert, welche den Parameter d und die
Größe h# darstellen, und die in entspreohener Weise von einer Laufkatzenstellungsanzeigevorrichtung
112 und einer Multiplizier-Vorrichtung 113 beliefert werden, deren beide Eingänge
mit den Leitungen 93 und 94 in Verbindung stehen4 Ein Verstärker 114 verstärkt das
Greiferstellungefehlersignal und führt es als Laufkatzengeschwindigkeits-Bezugssignal
der Leitung 88 zu.
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Wie das Steuersystem gemäß Fig. 2 kann auch das Steuer-System der
Fig. 3 für Feldschwächung abgewandelt seinO Wie oben wird eine Multipliziervorrichtung
zur Vergrößerung des Strombezugssignals verwendet, und zwar um einen Faktor derart,
daß die Verminderung des Motorfeldflusses während der Feldschwächung keine Wirkung
au9 die Schwingungeregelung ausütt. Diese Multipliziervorrichtung ist in Leitung
79 eingesetzt.
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Die Systeme der Figuren 2 und 3 ermöglichen - wie beschrieben - für
jede Laufrichtung der Laufkatze und für jede Richtung der Laufkatzenbeschleunigung
eine nicht-oszillierende Bewegung des Greifers. Für jeden speziellen Wert und Sinn
(Richtung) der Laufkatzenbeschleunigung nimmt der Greifer auf nicht-oszillierende
Weise diejenige Stellung gegenüber der Laufkatze ein, in welcher der Greiferseilwinkel
eine Größe und einen Sinn aufweiet, der dieser
Beschleunigung angemessen
ist. Die auf diese Weise eingenommene Stellung kann vor oder hinter der Laufkatze
sein, Eine der Hauptanwendungen der beiden Steuersysteme betrifft Erz-Entlader zur
Überführung von Erz aus einen: Lastkahn am Kai zu einem in einige Entfernung davon
gelegenen Bunker.
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Da der Lastkahn so schnell als möglich entladen werden soll, ist es
wünschenswert, daß jeder Entladezyklus des Entladers, d.h. vom Lastkahn zum Bunker
wieder zurück, so klein als möglich ist.
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Es ist übliche Praxis bei von Hand betätigten Erz-Entladern, daß die
Bedienungsperson die kinetische Energie des mit Erz beladenen Greifers benutzt,
um diesen hoch über den Aufnahmebunker zu werfen und sodann den Greiferinhalt zu
entl@@ren.
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Dieses "Hochwerfen" erreicht man durch Verzögerung der Laufkatze aus
ihrer Laufgesohwindigkeit derart, daß der Greifer vor der Lauflcatze zum Bunker
hin schwingt. Zu der Zeit, wo sich der Greifer direkt über dem Bunker befindet,
so daß sein Inhalt entladen werden kann, hat die Laufkatze bersits ihre Richtung
umgekehrt und läuft zu dem zu entladenden Erzvorrat zurück.
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Durch zweckentsprechende Anwendung des "Hochw@rfens" kann Zeiten eine
erfahrene Bedienungsperson Entladezyklus/ erreichen, die sehr dicht an die Minimalzeiten
heranreichen, die wegen der Beschränkungen durch den Antriebsmotor -Nennstrom u.e.
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w. möglich sind.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die erreichten Entladezykluszeiten
sehr
stark von der Erfahrung der Bedienungspereon abhängen; deshalb ist es wünschenswert
den Eranautomatisch su steuern, und zwar mindestens über denjenigen Teil des Entladezyklus
hinweg, der die Greiferentladung umfaßt.
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Die unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 9 beschriebenen Steuersysteme
sind für eine derartige automatische Regelung wegen der Schwingungsregelung die
sie hervorrufen besonders geeignet. Durch Verwendung eines der beiden Steuersystem.
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wird es möglich, eine Bahnregelung zu verwenden, welche automatisch
die Bahn des Greifers über einen wesentlichen Teil oder den ganzen Entladezyklus
hinweg regelt, und zwar durch Veränderung des Greiferstellungsbezugssignals entsprechend
einer beispielsweise auf Lochkanten gespeicherten Information. Durch die Verwendung
einer derartigen automatiochen Regelung nähern sich die erreichten Entladezykluszeiten
den Zykluszeiten der erfahrensten Bedienungspersonen, wobei nooh immer ein angemessener
Sicherheitsspielraum verbleibt.
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Es sind zahlreiche Abwandlungen und Abänderungen der beschriebenen
Steuersysteme möglich, die in den Beroich der Erfinddung fallen.
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Beispielsweise ist bei einigen Anwendungen der beschriebenen und dargestellten
Systeme derjenige Ausdruck im Modifiziersignal und im latenten Geschwindigkei'tssignal
der h enthält klein ia bezug auf den Rest des Signales; unter sol-' chen Umständen
kann der h enthaltende Ausdruck aus den Modifizier- und latenten Geschwindigkeitssignalen
weggelassen werden, ohne einen wesentlichen Verlust bei der Schwingungsregelung
hinnehmen zu müssen. Bei derartigen Anwendungen könnte das System gemäß Fig. 2 beispielsweise
durch Weglassen
der Vorrichtungen 56, 57 und 58 abgeändert werden
Als eine weitere Alternative können in jedem System die Modifikations-und latenten
Geschwindigkeitssignale nur den Ausdruck mit h enthalten, wenn h und 4 eine solche
Richtung haben, daß der Ausdruck 2h# nicht-dämpfend ist.
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Jedes latente Geschwindigkeitssignal ist vorgesehen, um zu verhindern,
daß die Schwingungsregelung verloren geht, wenn der Antriebsmotor mit odsr nahe
mit seiner maximalen oder Nenndrehzahl läuft, so daß keine/nur wenig Beschleunigung
für die Schwingungsregelung vorhanden ist0 Es ist jedoch zu erkennen, daß dann,
wenn immer eine Beschleunigung für die Schwingungsregelung vorhanden ist, d.h. dann,wenn
der Antriebsmotor niemals normalerweise bei seiner maximalen Nenndrehzahl betrieben
wird, kein latentes Geschwindigkeitssignal vorhanden sein braucht Obwohl in jedem
der dargestellten und beschriebenen Steuersysteme die Modifikations- und latenten
Geschwindigkeitssignale verwendet werden, um in entsprechender Weise das Drehzahlfehlersignal,
wenn verstärkt und das gleiche Signal, wenn unverstärkt zu modifizieren, um so Bestandteile
des Strombezugssignals zu bilden, entsprechend welchen der Motorankerstrom geregelt
wird, so ist doch zu erkennen, daß jedes Signal an andere Teile der grundlegenden
Antriebsmotorregelsohaltung angelegt werden können.
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Abhängig von der Stelle, wo sie an die grundlegende Motorregelschaltung
angelegt werden, können, die Modifikations-und latenten Geschwindigkeitssignale
für jedes Steu@rsystem die gleichen sein wie oder proportional eein zu den vorhergehenden
Ausdrücken 7,10,11 oder 13 (je nach Eignung),
oder sie können durch
unterschiedliche Ausdrücke gegeben sein. Bei einer möglichen Abwandlung des dargestellten
und beschriebenen Steuersystems wird das latente Geschwindigkeitssignal in jedem
verwendet, um die Grenzwerte der Ausgangsgröße des Greiferstellungsfehlerverstärkers
69 oder 114 zu 4 zu veränderns Obwohl (geschlossene)Regelschaltungen ausschließlich
in den beschriebenen Regelsystemen verwendet werden, sei doch darauf hingewiesen,
daß die Erfindung nicht auf Regelsysteme mit Regelsohaltungen beschränkt ist, sondern
auch auf Regelsysteme anwendbar ist, die eine offene Schleifenregelung verwenden.
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Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf die Regelung von Laufkranen
- auch nicht auf Trane zum Entladen von Erz od. dgl0 - beschränkt, sondern kann
auch bei anderen Bßttransportgeräten Verwendung finden, wo die Schwingung der Last
Schwierigkeiten verursacht. Beispielsweise kann die Erfindung zur Regelung von Hebezeugmotoren
von Turmkranen Verwendung finden.
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Patentansprüche: