DE19512253A1 - Drehantrieb für einen Drehkran-Ausleger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehantrieb für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines Turmdrehkrans.

Der Ausleger eines Drehkrans, beispielsweise eines Turmdreh­ krans, sollte von dem Drehantrieb (Drehwerk) des Auslegers mit vom Kranführer wählbarer Drehgeschwindigkeit gedreht werden können. Dieses Ziel wird an herkömmlichen Drehantrieben nur unvollkommen erreicht. Zum einen können an dem Ausleger, der 70 m und mehr lang sein kann, beträchtliche und stark schwankende Windkräfte angreifen, die die Drehbewegung des Ausleger je nach Windrichtung unterstützen oder auch bremsen können. Darüber hinaus ist die Krankonstruktion, insbesondere bei oben drehen­ den Turmdrehkranen elastisch. Beispielsweise kann sich der um seine Hochachse drehelastische Turm des Turmdrehkrans um 10° und mehr verwinden.

Es wurde versucht, den Drehantrieb eines Turmdrehkrans dreh­ zahlzuregeln. Es hat sich jedoch gezeigt, daß herkömmliche Drehzahlregelungen zu nicht tolerierbaren Drehschwingungen der Krankonstruktion führen. Es ist ferner bekannt, bei einem Drehantrieb für einen Turmdrehkran lediglich das von dem Elek­ tromotor des Drehantriebs erzeugte Abtriebsdrehmoment auf einen manuell vorgebbaren Drehmoment-Sollwert zu regeln. Zur Unter­ drückung von Drehschwingungen wird dafür gesorgt, daß der Drehantrieb auf Sollwert-Änderungen nur mit einer durch eine Rampenfunktion begrenzten Änderungsrate folgt. Durch derartige Drehmomentrampen können auf den Turm einwirkende Drehmoment­ stöße, wie auch die Rückfederungskräfte des Turms bedämpft werden. Die Drehgeschwindigkeit des Auslegers stellt sich jedoch bei diesem bekannten Drehantrieb frei ein. Die Winddrift des Auslegers kann nicht selbsttätig ausgeglichen werden.

Schließlich ist es bekannt, Wirbelstrombremsen oder auch Flüs­ sigkeitskupplungen an den Drehantrieb zur Bedämpfung der Wind­ drift und zur Dämpfung von Drehmomentstößen vorzusehen. Auch diese Maßnahmen konnten jedoch in der Praxis auftretende Dreh­ schwingungen des Auslegers nicht verhindern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Drehantrieb für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines Turmdrehkrans zu schaffen, der eine im wesentlichen gleichförmige Drehbewegung des Auslegers mit wählbarer Drehgeschwindigkeit erlaubt.

Die Erfindung geht von einem Drehantrieb für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines Turmkrans aus, welcher umfaßt:
einen Elektromotor,
eine das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors festlegende Drehmomentstellanordnung,
ein manuell bedienbares Einstellorgan, an dem die Größe und Richtung des Abtriebsdrehmoments variabel einstellbar ist und ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Einstellorgans zusätzlich zur Größe und Richtung des durch die Drehmoment­ stellanordnung festgelegten Abtriebsdrehmoments eine Soll- Drehzahlgröße für den Elektromotor variabel vorgebbar ist, daß dem Elektromotor zusätzlich eine Drehzahlregelanordnung zu­ geordnet ist, die eine mittels eines Drehzahlgebers erfaßte Ist-Drehzahlgröße der vorgegebenen Soll-Drehzahlgröße nachführt und daß die Drehzahlregelanordnung zur Nachführung der Ist- Drehzahlgröße im wesentlichen ausschließlich ein in der an dem Einstellorgan eingestellten Richtung treibendes Abtriebsdrehmo­ ment zuläßt oder/und ein entgegen der an dem Einstellorgan eingestellten Richtung treibendes Abtriebsdrehmoment auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere Null oder nahezu Null be­ grenzt.

Einem solchen Drehantrieb liegt die Überlegung zugrunde, daß die aus der Elastizität der Krankonstruktion und insbesondere des Kranturms sich ergebende Neigung zu Drehschwingungen ver­ ringert werden kann, wenn im wesentlichen ausschließlich ein in der gewünschten Drehrichtung treibendes Abtriebsmoment erzeugt wird. Da im wesentlichen keine Umkehr des Abtriebsdrehmoments erfolgt, bleibt der durch das Abtriebsdrehmoment drehelastisch "aufgezogene" Kranturm gespannt und wird nicht zur Anfachung von Drehschwingungen in entgegengesetzter Drehrichtung federnd verdrillt.

Das vorstehend erläuterte Ziel, den Ausleger eines Drehkrans, insbesondere Turmdrehkrans mit wählbarer Geschwindigkeit mög­ lichst gleichförmig zu bewegen, wird auch unter einem zweiten Aspekt der Erfindung erreicht. Unter dem zweiten Aspekt der Erfindung ist ausgehend von dem vorstehend erläuterten Dreh­ antrieb vorgesehen, daß mittels des Einstellorgans zusätzlich zur Größe und Richtung des durch die Drehmomentstellanordnung festgelegten Abtriebsdrehmoments eine Soll-Drehzahlgröße für den Elektromotor variabel vorgebbar ist, daß dem Elektromotor zusätzlich eine Drehzahlregelanordnung zugeordnet ist, die eine mittels eines Drehzahlgebers erfaßte Ist-Drehzahlgröße der vorgegebenen Soll-Drehzahlgröße nachführt, daß in einem Bereich von Ist-Drehzahlgrößen kleiner als die an dem Einstellorgan eingestellte Soll-Drehzahlgröße die Drehmomentstellanordnung das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors auf die an dem Ein­ stellorgan eingestellte Größe des Abtriebsdrehmoments festlegt und daß bei Ist-Drehzahlgrößen im Bereich der Soll-Drehzahl­ größe die Drehzahlregelanordnung das Abtriebsdrehmoment fest­ legt. Bei dem zweiten Aspekt der Erfindung, der für sich aber auch in Verbindung mit dem erstgenannten Aspekt realisierbar ist, wird der Anfahrvorgang des Drehantriebs durch die Drehmo­ mentstellanordnung bestimmt. Erst wenn sich die Ist-Drehzahl­ größe der vorgegebenen Soll-Drehzahlgröße hinreichend angenä­ hert hat, geht die Führung der Drehbewegung von der Drehmoment- Stellanordnung auf die Drehzahlregelanordnung über. Die Dreh­ zahlregelung ist hier bei der Drehmomentstellanordnung ledig­ lich unterlagert bei Ist-Drehzahlgrößen im Bereich der Soll- Drehzahlgröße wirksam.

Die Drehmomentstellanordnung oder/und die Drehzahlregelanord­ nung können Rampensteuermittel umfassen, die bei einer Erhöhung oder/und Erniedrigung des Abtriebsdrehmoments des Elektromotors die Änderungsrate des Abtriebsdrehmoments auf einen vorbestimm­ ten Wert begrenzen oder auf einen vorbestimmten Wert festlegen. Die Rampensteuermittel bewirken eine Bedämpfung des Drehan­ triebs und mindern die Gefahr der Anfachung von Drehschwingun­ gen des Auslegers.

Bei der Drehmomentstellanordnung kann es sich um eine Steuerung mit offenem Regelkreis handeln. Zweckmäßigerweise ist jedoch mittels des Einstellorgans eine Soll-Drehmomentgröße für das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors variabel vorgebbar und die Drehmomentstellanordnung ist bevorzugt als Drehmomentregel­ anordnung ausgebildet, die eine von Drehmomenterfassungsmitteln erfaßte Ist-Drehmomentgröße der vorgegebenen Soll-Drehmoment­ größe nachführt. Die Drehmomentstellanordnung bildet also entsprechend der Drehzahlregelanordnung bevorzugt gleichfalls einen geschlossenen Regelkreis. Ein solcher Regelkreis sorgt für ein besonders gleichmäßiges Abtriebsdrehmoment. Bei den Drehmomenterfassungsmitteln kann es sich um mechanisch das Abtriebsdrehmoment messende Sensoren handeln; die Drehmoment­ erfassungsmittel können aber auch auf den momentanen Strom und die momentane Spannung des Elektromotors ansprechen und hiervon abhängig sowie ggf. abhängig von der mit Hilfe des Drehzahlge­ bers erfaßten Ist-Drehzahlgröße eine das Ist-Drehmoment re­ präsentierende Größe ermitteln.

Die Drehzahlregelanordnung kann bei der Nachführung der Ist- Drehzahlgröße die Größe des in der am Einstellorgan eingestell­ ten Richtung treibenden Abtriebsdrehmoments unabhängig von der an dem Einstellorgan für die Drehmomentstellanordnung einge­ stellten Größe des Abtriebsmoments steuern. Wenngleich sich auf diese Weise eine vergleichsweise rasche Nachführung der Ist- Drehzahlgröße erreichen läßt, so kann dies doch im Einzelfall zu Pendelschwingungen der an dem Ausleger hängenden Last füh­ ren. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist deshalb vorgese­ hen, daß die Drehzahlregelanordnung bei der Nachführung der Ist-Drehzahlgröße die Größe des Abtriebsdrehmoments nach oben begrenzt und auf diese Weise kann das auf die elastische Kran­ konstruktion wirkende, beispielsweise den Kranturm "aufziehen­ de" Moment begrenzt werden. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn die Größe des Abtriebsmoments auf die an dem Einstellorgan für die Drehmomentstellanordnung eingestellte Größe des Abtriebsmoments begrenzt wird. Nachdem üblicherweise die Größe des an dem Einstellorgan abrufbaren Abtriebsdrehmo­ ments der Krankonstruktion, beispielsweise der Höhe des Turms oder der Länge des Auslegers angepaßt ist, kann so eine Opti­ mierung der Drehzahlregelung erreicht werden.

Dem Elektromotor des Drehantriebs ist üblicherweise eine mecha­ nische Bremse zugeordnet, die den Drehantrieb bei fehlender Bestromung des Elektromotors arretiert, um Winddrift im Still­ stand zu verhindern. Beim Anfahren des Drehantriebs muß die Haltebremse gelöst werden, was zur Folge haben kann, daß bei zu niedrig gewählter Drehmomentstufe die Windkräfte den Ausleger entgegen der gewünschten Drehrichtung verstellen. Um dies zu verhindern, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß die Drehzahlregelanordnung bei der Nachführung der Ist- Drehzahlgröße die Größe des Abtriebsdrehmoments lediglich für Ist-Drehzahlgrößen größer als ein vorbestimmter Stillstands­ toleranz-Grenzwert nach oben begrenzt, nicht jedoch für Ist- Drehzahlgrößen kleiner als der Stillstandstoleranz-Grenzwert. Der Stillstandstoleranz-Grenzwert bezeichnet einen Drehzahlbe­ reich von einigen Prozent der maximalen Drehgeschwindigkeit.

Solange die Ist-Drehzahlgrößen in diesem Bereich liegen, wird das Antriebsdrehmoment nicht durch die Vorgabe an dem Einstell­ organ, sondern ausschließlich durch die Drehzahlregelanordnung bestimmt, die dafür sorgt, daß sich bereits im Moment des Öffnens der Haltebremse des Drehantriebs das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors auf einen Wert erhöhen kann, der das Rück­ drehen des Auslegers entgegen der gewünschten Drehrichtung verhindert.

Zweckmäßigerweise sind dem Einstellorgan Speichermittel zu­ geordnet, die in Abhängigkeit von der Einstellung des Einstell­ organs Werte für das Abtriebsdrehmoment, insbesondere für die Soll-Drehmomentgröße oder/und Werte für die Soll-Drehzahlgröße speichern und daß Mittel zur wählbaren Korrektur oder/und Auswahl der gespeicherten Werte vorgesehen sind. Auf diese Weise können für das Regelverhalten optimierte Drehmoment- bzw. Drehzahlwerte gespeichert und je nach der Ausbaustufe des Krans, beispielsweise der gewählen Auslegerlänge, abgerufen werden. Im Prinzip genügt ein einziger Satz derartiger Werte, der dann entsprechend der Ausbaustufe des Krans korrigiert wird, oder aber es werden für verschiedene Ausbaustufen unter­ schiedliche Sätze solcher Werte gespeichert. Es versteht sich, daß das Einstellorgan sowohl in Stufen als auch stufenlos eingestellt werden kann. Bei stufenlos einstellbarem Einstell­ organ können die Werte als Funktionsparameter gespeichert sein, die eine Berechnung der gewünschten Drehmoment- bzw. Drehzahl­ größe erlauben; die Werte können jedoch auch in Form einer eng gestuften Tabelle oder einer interpolierbaren Tabelle vorgege­ ben werden.

Bei herkömmlichen Drehantrieben ist der Elektromotor für die maximal gewünschte Drehgeschwindigkeit des Drehantriebs bemes­ sen, d. h. er erzeugt sein Nenn-Drehmoment bei einer Nenn- Drehzahl, bei der sich der Ausleger mit der maximal gewünschten Drehgeschwindigkeit dreht. Unter einem dritten Aspekt der Erfindung, der für sich, jedoch auch in Verbindung mit jedem der beiden vorangegangen erläuterten Aspekte in der Praxis ein­ setzbar ist, können die Komponenten des Drehantriebs für eine geringere Nenn-Leistung bemessen werden und dennoch kann eine höhere maximale Drehgeschwindigkeit des Drehantriebs erreicht werden. Unter dem dritten Aspekt geht die Erfindung aus von einem Drehantrieb, welcher umfaßt:
einen Motor, insbesondere Elektromotor,
eine die Abtriebsdrehzahl des Motors festlegende Drehzahlstell­ anordnung,
ein manuell bedienbares Einstellorgan, an dem die Größe der Abtriebsdrehzahl und die Drehrichtung variabel einstellbar ist.

Der Drehantrieb ist hierbei dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlstellanordnung eine Drehzahlstellung bis in den Feld­ schwächungsbereich des Motors erlaubt und daß die Drehzahl­ stellanordnung und der Motor für ein Nenn-Drehmoment bei einer Nenn-Drehzahl bemessen sind, die um nicht mehr als etwa 1/3 der maximal einstellbaren Abtriebsdrehzahl des Elektromotors klei­ ner ist als die maximale Abtriebsdrehzahl. Bei einem solchen Drehantrieb wird der Motor in an sich bekannten Weise im Feldschwächungsbereich betrieben, in welchem unter Minderung des Abtriebsdrehmoments die Drehzahl über die Nenn-Drehzahl hinaus erhöht werden kann. Durch die Begrenzung der maximalen Abtriebsdrehzahl auf maximal das etwa 1,5-fache der Nenn-Dreh­ zahl wird sichergestellt, daß einerseits der Antrieb trotz des sich im Feldschwächungsbereichs verringernden Abtriebsdrehmo­ ments des Motors auf die gewünschte maximale Enddrehzahl be­ schleunigen kann und es wird sichergestellt, daß auch bei den Ausleger schiebenden Windmomenten noch hinreichendes Brems­ moment für das Abbremsen des Auslegers zur Verfügung steht. Bei dem Motor kann es sich um einen Elektromotor, aber auch um einen sonstigen, im Feldschwächungsbereich betreibbaren Motor, insbesondere einen Hydraulikmotor, handeln.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der als Elektromotor ausgebildete Motor an einen die Motortreiberströme mit änder­ barer Frequenz liefernden Frequenzumrichter angeschlossen, wobei die Drehzahlstellanordnung die Frequenz des Frequenzum­ richters festlegt. Derartige Frequenzumrichterantriebe erlauben auf besonders einfache Weise eine betriebssichere Steuerung bis in den Feldschwächungsbereich hinein. Ein Beispiel eines der­ artigen Frequenzumrichterantriebs ist aus DE 40 38 981 A be­ kannt. Bei dem dort beschriebenen Elektromotor handelt es sich um einen Wechselstrommotor. Der Frequenzumrichterantrieb läßt sich jedoch in gleicher Weise auch für Gleichstrommotore aus­ nutzen, beispielsweise bei gepulsten Gleichstrom-Treiberströ­ men. Bei der Drehzahlstellanordnung kann es sich um einen offenen oder einen geschlossenen Regelkreis handeln.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Drehantriebs für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines obendrehenden Turmdrehkrans;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitabhängigen Dreh­ momentcharakteristik des Drehantriebs nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitabhängigen Dreh­ zahlcharakteristik des Drehantriebs nach Fig. 1 und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Drehmomentcharak­ teristik des Drehantriebs nach Fig. 1 in Abhängig­ keit von dessen Drehzahl.

Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt der Drehantrieb einen Elektromotor 1, der über ein nicht näher dargestelltes Untersetzungsgetriebe ein mit einem Zahnkranz kämmendes Ritzel treibt. Der Elektromo­ tor 1 ist bei einem oben drehenden Turmdrehkran zusammen mit dem Ausleger am oberen Ende des Kranturms angeordnet und kann von einer gleichfalls nicht dargestellten, aber üblichen, steuerbaren Haltebremse im stromlosen Zustand dreharretiert werden.

Der Elektromotor 1 wird von einem Frequenzumrichter 3 gespeist, der phasenversetzte Drehfeld-Treiberströme variabler Frequenz erzeugt. Durch Einstellen der Frequenz kann die Drehzahl des Elektromotors 1 und damit die Drehgeschwindigkeit, mit der der Ausleger um eine vertikale Drehachse dreht, variiert werden. Bei dem Elektromotor 1 kann es sich um einen Drehstrom-Wechsel­ strommotor, beispielsweise einen Asynchronmotor handeln; er kann aber auch als Gleichstrom-Schrittmotor oder dergleichen ausgebildet-sein. Der Frequenzumrichter 3 kann im Prinzip herkömmlich ausgebildet sein, soweit er nicht nur die Variation der Drehzahl des Elektromotors 1 zuläßt, sondern auch die Variation des von dem Elektromotor 1 erzeugten Abtriebsdrehmo­ ments. Ein geeigneter Frequenzumrichter mit zugehöriger Steuer­ schaltung ist beispielsweise in DE 40 38 981 A erläutert.

Der Betrieb des Drehantriebs wird von einem vom Kranführer manuell bedienbaren Einstellorgan 5, beispielsweise einem Meisterschalter oder dergleichen gesteuert. An dem Einstellor­ gan 5 kann der Kranführer Leistungsstufen des Drehantriebs einstellen, von denen jede ein vorbestimmtes Abtriebsdrehmoment des Elektromotors 1 und, dem Abtriebsdrehmoment zugeordnet, eine vorbestimmte Drehzahl des Elektromotors 1 festlegt. An­ stelle der im folgenden beschriebenen gestuften Arbeitsweise des Einstellorgans 5 kann auch eine stufenlose Variante zum Einsatz kommen. Das Einstellorgan 5 steuert über eine Steuerung 7, die Bestandteil einer allgemeinen Kransteuerung sein kann, einen Drehmomentregler 9, der eine Ist-Drehmomentgröße mit einer von der Steuerung 7 in Abhängigkeit von der Einstellung des Einstellorgans 5 gelieferten Soll-Drehmomentgröße ver­ gleicht und über eine nachfolgend näher erläuterte Steuerlogik 11 den Frequenzumrichter 3 so einstellt, daß die Ist-Drehzahl­ größe gleich der Soll-Drehzahlgröße ist, also der Soll-Dreh­ zahlgröße folgt. Für die Erfassung der Ist-Drehzahlgröße sind bei 13 angedeutete Sensormittel vorgesehen, die den Ist-Zustand der Motorströme und der Motorspannung erfassen und es dem Drehmomentregler 9, ggf. in Verbindung mit einer von einem Drehzahlgeber 15, beispielsweise einem mit dem Elektromotor 1 gekuppelten Tachometer gelieferten Ist-Drehzahlgröße ermögli­ chen, die Ist-Drehmomentgröße zu errechnen. Es versteht sich, daß zur Bestimmung der Ist-Drehmomentgröße auch ein mechanisch das Drehmoment erfassender Drehmomentsensor vorgesehen sein kann. Zugleich kann an dem Einstellorgan 5 die Drehrichtung ausgewählt werden, in welcher der Drehantrieb den Ausleger antreiben soll.

Der Drehmomentregler 9 ist für sich genommen nicht in der Lage, Drehgeschwindigkeit des Auslegers auf einem gewünschten Wert zu halten. Abhängig von Windmomenten, die auf den Ausleger wirken, würde die Drehgeschwindigkeit variieren. Um trotzdem die ge­ wünschte Drehgeschwindigkeit einstellen zu können, ist der Drehmomentregelung eine Drehzahlregelung unterlagert, die in der nachfolgend noch näher erläuterten Weise mit Priorität zu dem Drehmomentregler 9 die Führung des Frequenzumrichters 3 übernimmt. Der Drehantrieb umfaßt hierzu einen Drehzahlregler 17, der die von dem Drehzahlsensor 15 gelieferte Ist-Drehzahl­ größe mit einer, abhängig von der Einstellung des Stellorgans 5 von der Steuerung 7 gelieferten Soll-Drehzahlgröße vergleicht und die Ist-Drehzahlgröße auf den Wert der Soll-Drehzahlgröße regelt, d. h. der Soll-Drehzahlgröße nachführt, nachdem der Drehmomentregler 9 den Drehantrieb auf eine Drehgeschwindigkeit gebracht hat, bei welcher die Ist-Drehzahlgröße bereits nahe der Soll-Drehzahlgröße liegt. In diesem Fall schaltet die Steuerlogik 11 den Frequenzumrichter 3 von der Führung durch den Drehmomentregler 9 auf die Führung durch den Drehzahlregler 17 um. Der Drehzahlregler 17 steuert dann die Frequenz des Frequenzumrichters 3 entsprechend der Soll-Drehzahlgröße. Das von dem Elektromotor 1 erzeugte Abtriebsdrehmoment kann sich hierbei ändern, beispielsweise auf das zur Aufrechterhaltung der Drehgeschwindigkeit benötigte Beharrungsmoment erniedrigen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der vorstehend erläu­ terten Wirkungsweise. In Fig. 2 ist das Abtriebsdrehmoment M des Elektromotor 1 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt; Fig. 3 zeigt die Drehzahl n des Elektromotors 1 gleichfalls in Abhängigkeit von der Zeit t. Mit durchgehenden Linien ist in Fig. 2 für mehrere Einstellstufen S₂, S₂ bis S_i des Einstell­ organs 5 der zeitliche Verlauf der Soll-Drehmomentgröße M_s dargestellt. Mit einer strichpunktierten Linie M_i ist der zeitliche Verlauf der sich ergebenden Ist-Drehmomentgröße ange­ deutet. In analoger Weise zeigt Fig. 3 mit durchgezogenen Linien für die Einstellstufen S₁, S₂ und S_i den zeitlichen Verlauf der Soll-Drehzahlgrößen n_s und mit einer strichpunktier­ ten Linie angedeutet den sich daraus ergebenden zeitlichen Verlauf der Ist-Drehzahlgröße n_i.

Die Wirkungsweise soll stellvertretend für die übrigen Ein­ stellstufen am Beispiel der Einstellstufe S₁ erläutert werden. Es sei angenommen, daß der Drehantrieb zunächst stillsteht und zum Zeitpunkt t₀ das Einstellorgan 5 (Fig. 1) auf die Ein­ stellstufe S₁ gestellt wird. Die Steuerung 7 erhöht nach einer vorbestimmten Rampenfunktion die in den Fig. 2 und 3 bei 19 bzw. 21 angedeutet ist, die Soll-Drehmomentgröße M_s und die Soll-Drehzahlgröße n_s bis auf den der Einstellstufe S₁ zugeord­ neten Wert. Bis auf eine nachfolgend noch näher erläuterte Startphase des Drehantriebs übernimmt zunächst der Drehmoment­ regler 9 die Führung des Frequenzumrichters 3 und sorgt dafür, daß die Ist-Drehmomentgröße M_i der Soll-Drehmomentgröße M_s nachgeführt wird. Zum Zeitpunkt t₁ erreicht die Ist-Drehzahl­ größe n_i des so beschleunigten Drehantriebs den Wert der Soll- Drehzahlgröße n_s, womit der Drehzahlregler 17 die Führung des Frequenzumrichters 3 übernimmt und die Ist-Drehzahlgröße n_i, wie in Fig. 3 erkennbar, der Soll-Drehzahlgröße n_s nachführt. Die Ist-Drehmomentgröße M_i fällt, wie Fig. 2 zeigt, ggf. über eine Rampenfunktion auf einen Beharrungswert 23 ab. Der Beharrungs­ wert 23 reicht aus, um den beschleunigten Ausleger gegen Rei­ bung und Windmoment in der gewünschten Drehrichtung fortzubewe­ gen. Zum Zeitpunkt t₃ wird das Einstellorgan 5 wieder in seine Ruhelage zurückgestellt. Die Einstelländerung veranlaßt die Steuerung 7 sowohl die Soll-Drehmomentgröße M_s als auch die Soll-Drehzahlgröße n_s nach vorbestimmten Rampenfunktionen 25 bzw. 27 zu verringern, bis der Drehantrieb im wesentlichen zum Stillstand gekommen ist und bei Bedarf dann die Haltebremse einfällt.

Da die Sollgröße sowohl des Drehmomentreglers 9 als auch des Drehzahlreglers 17 nach vorbestimmten Rampenfunktionen geändert werden, werden Drehmomentstöße des Drehantriebs, die die Kran­ konstruktion zu Drehschwingungen anregen könnten, weitgehend unterdrückt. Aber auch eine weitere Maßnahme ist für die weit­ gehende Unterdrückung von Drehschwingungen der Krankonstruktion verantwortlich. Während der Drehmomentregler 9 im Vierquadran­ tenbetrieb arbeiten kann, also sowohl in der gewünschten Dreh­ richtung treibende Drehmomente als auch Bremsmomente, d. h. entgegen der gewünschten Drehrichtung wirkende Drehmomente zuläßt, ist der Drehzahlregler 17 so ausgebildet, daß er im wesentlichen nur in der gewünschten Drehrichtung treibende Drehmomente zuläßt. Soweit der Frequenzumrichter 3 von dem Drehzahlregler 17 geführt wird, wird verhindert, daß der Dreh­ antrieb die bei der Beschleunigung des Auslegers durch das Reaktionsmoment drehelastisch verspannte Krankonstruktion, insbesondere des Kranturms, zu Drehschwingungen veranlaßt.

In Fig. 3 ist mit einer gestrichelten Linie bei 29 der Verlauf der Ist-Drehzahlgröße n_i für den Fall einer zeitlich begrenzten Beschleunigung des Auslegers durch in der gewünschten Drehrich­ tung treibende Windkräfte angedeutet. Fig. 2 zeigt bei 31 gleichfalls durch eine gestrichelte Linie, daß der Drehzahlreg­ ler 17 das Beharrungsmoment im wesentlichen auf Null absenkt und allenfalls ein geringes, entgegen der gewünschten Drehrich­ tung wirkendes Bremsdrehmoment zuläßt.

Die Verhältnisse für den Fall eines bremsenden Windmoments zeigt Fig. 3 mit einer gepunkteten Linie 33 für den Fall einer zeitlich begrenzten Abbremsung, d. h. Verringerung der Ist- Drehzahlgröße n_i. In diesem Fall erhöht der Drehzahlregler 17 unabhängig von der den Drehmomentregler 9 führenden Soll-Dreh­ momentgröße M_s das Drehmoment entsprechend dem in Fig. 2 durch eine punktierte Linie 35 angedeuteten Verlauf. Wie der Verlauf 35 zeigt, ist der Maximalwert, mit dem der Drehzahlregler 17 zum Ausgleich des bremsenden Windmoments das treibende An­ triebsdrehmoment des Elektromotor 1 erhöht, auf den Wert M_s der an dem Einstellorgan 5 für die Einstellstufe S_i eingestellten Solldrehmomentgröße M_s nach oben begrenzt. Bei Einstellung einer anderen Einstellstufe wird der Begrenzungswert entsprechend der Soll-Drehmomentgröße dieser Einstellstufe begrenzt. Durch die Begrenzung der von dem Drehzahlregler 17 vorgebbaren Drehmo­ mentgrößen nach unten im wesentlichen auf den Wert Null und nach oben auf einen vorbestimmten oberen Grenzwert, beispiels­ weise die Soll-Drehmomentgröße M_s des Drehmomentreglers 9, lassen sich Pendelschwingungen der an dem Ausleger hängenden Last beträchtlich verringern. Es versteht sich, daß anstelle der den Drehmomentregler 9 führenden Soll-Drehmomentgröße M_s auch andere Werte für die obere Begrenzung des Drehmoments gewählt sein können. Die Drehmomentbegrenzung nach oben kann jedoch insgesamt auch entfallen.

Bei Stillstand des Drehantriebs arretiert die Haltebremse ggf. den Ausleger. Beim Öffnen der Haltebremse muß aber sicherge­ stellt sein, daß das an dem Einstellorgan 5 eingestellte, treibende Antriebsdrehmoment des Elektromotors 1 in jedem Fall ausreicht, um auch gegen rückdrehende Windmomente den Ausleger zumindest in der Stillstandslage zu halten, oder aber in der gewünschten Drehrichtung zu beschleunigen und zwar auch dann, wenn der Kranführer an dem Einstellorgan 5 eine zur Überwindung des rückdrehenden Windmoments nicht ausreichende Einstellstufe gewählt haben sollte. Um dieses Ziel zu erreichen, wird in der Anfangsphase der Drehbewegung das Abtriebsdrehmoment des Elek­ tromotors 1 nicht durch die den Drehmomentregler 9 führende Soll-Drehmomentgröße M_s bestimmt, sondern durch den Drehzahlreg­ ler 17. In der Anfangsphase hat der Drehzahlregler 17 gegenüber dem Drehmomentregler 9 Priorität und bestimmt das Anfangsdreh­ moment des Elektromotors, solange die Ist-Drehzahlgröße inner­ halb einer bei 37 in Fig. 3 angedeuteten Stillstandstoleranz- Grenze liegt. Die Stillstandstoleranz-Grenze 37 liegt in der Nähe des Nullpunkts der Drehzahlgröße, beispielsweise bei einigen wenigen Prozent der maximalen Drehzahl, wie z. B. 5%. Das in der Anfangsphase zulässige Drehmoment ist nach oben nicht begrenzt, bzw. ist zumindest auf einen solchen Wert begrenzt, der das maximal zulässige, rückdrehende Windmoment ausgleichen kann. Wird im Stillstand des Drehantriebs die Haltebremse gelöst, so sorgt die Drehzahlregelung 17 unabhängig von der am Einstellorgan 5 eingestellten Soll-Drehmomentgröße für ein den Ausleger auch gegen Windkräfte sicher haltendes Rückdrehmoment. Der Kranführer kann die Einstellstufe des Einstellorgans 5 erhöhen, sollte dieses Moment nicht auch zur Beschleunigung des Auslegers ausreichen. Sobald die Ist-Dreh­ zahlgröße den Stillstandstoleranz-Wert 37 erreicht (Zeitpunkt t₄ in Fig. 3), geht die Führung des Frequenzumrichters 3 von dem Drehzahlregler 17 auf den Drehmomentregler 9 über und die Beschleunigung des Auslegers auf die Soll-Drehzahl erfolgt, wie vorstehend erläutert.

Herkömmliche Turmdrehkrane haben segmentierte Ausleger, so daß die Auslegerlänge im Einzelfall den Bedürfnissen entsprechend variiert werden kann. Mit sich ändernder Auslegerlänge ändern sich jedoch die Schwingungseigenschaften und Trägheitsmassen der Krankonstruktion. Um dem Rechnung zu tragen, sind die Sollgrößen für die einzelnen Einstellstufen des Einstellorgans 5 in einem Datenspeicher 38 der Steuerung 7 gespeichert und können entsprechend der Ausbaustufe des Krans abgerufen oder variiert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Variation der gespeicherten Werte entsprechend einem vorbestimmten Algo­ rithmus erfolgen oder aber indem in dem Speicher 39 für jede einzelne mögliche Ausbaustufe geeignete Datensätze gespeichert sind.

Drehantriebe für Drehkräne werden üblicherweise so ausgelegt, daß ihr Elektromotor auch unter ungünstigsten Betriebsbedingun­ gen, beispielsweise bei mit maximaler Drehgeschwindigkeit und maximalem treibenden Windmoment den Ausleger sicher abbremsen kann. Im Einzelfall kann dies zu vergleichsweise groß dimensio­ nierten Drehantrieben führen. Im Gegensatz dazu ist der Fre­ quenzumrichter 3 und der Elektromotor 1 des Drehantriebs nach Fig. 1 lediglich für etwa 2/3 der maximalen, gewünschten Drehgeschwindigkeit und damit Leistung des Drehantriebs ausge­ legt. Fig. 4 zeigt das auf das Nenn-Abtriebsdrehmoment M_N bezogene Abtriebsdrehmoment M des Elektromotors 1 in Abhängig­ keit von dem auf die Nenn-Drehzahl n_N des Elektromotors bezoge­ nen Drehzahl n. Der Elektromotor 1 erreicht das Nenn-Drehmoment M_N bei einer Nenn-Drehzahl n_N, die bei etwa 2/3 der maximalen Betriebsdrehzahl liegt. Im Drehzahlbereich zwischen Null und der Nenn-Drehzahl (n/n_N = 1) erreicht der Elektromotor 1 das Nenn-Drehmoment M_N, wird also herkömmlich in seinem Arbeits­ stellbereich betrieben. In dem Drehzahlbereich zwischen der Nenn-Drehzahl n_i und einer maximalen Drehzahl, gleich etwa 1,5 n_N wird der Elektromotor 1 im Feldschwächungsbereich betrieben, wobei die Drehmomentcharakteristik etwa hyperbelförmig in einer Kurve konstanter Leistung mit wachsender Drehzahl abnimmt. Durch die Begrenzung der maximalen Drehzahl auf etwa das 1,5-fa­ che der Nenn-Drehzahl wird unter Berücksichtigung des Rück­ wärtswirkungsgrads des Drehantriebs sichergestellt, daß auch bei schiebenden maximalen Windmomenten das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors 1 zum Abbremsen des Auslegers ausreicht. Wird beispielsweise der Wirkungsgrad des Drehantriebs zu 85% an­ genommen, so ergibt sich aus der Quadrierung des Wirkungsgrads für den Rückwärtsbetrieb durch schiebende Windmomente ein Momentenbedarf von etwa 72%, bezogen auf den Antrieb in der gewünschten Drehrichtung. Wie die Charakteristik in Fig. 4 zeigt, liegt damit die maximal zulässige Grenze für die Aus­ nutzung des Feldschwächungsbereichs bei etwa dem 1,5-fachen der Nenn-Drehzahl. Es versteht sich, daß Abweichungen von diesen Grenzwerten bei abweichenden Wirkungsgraden zulässig sind. Es versteht sich ferner, daß die Idee, den Feldschwächungsbereich bei einem Drehantrieb für den Ausleger eines Drehkrans aus zu­ nutzen, auch bei anderen Drehantriebskonstruktionen einsetzbar ist, sofern der Elektromotor nur im Feldschwächungsbereich betrieben werden kann.

Claims (11)

1. Drehantrieb für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines Turmdrehkrans, umfassend:

• - einen Elektromotor (1),
• - eine das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors (1) festlegende Drehmomentstellanordnung (9),
• - ein manuell bedienbares Einstellorgan (5), an dem die Größe und Richtung des Abtriebsdrehmoments variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet,

daß mittels des Einstellorgangs (5) zusätzlich zur Größe und Richtung des durch die Drehmomentstell­ anordnung (9) festgelegten Abtriebsdrehmoments eine Soll-Drehzahlgröße für den Elektromotor (1) variabel vorgebbar ist, daß dem Elektromotor (1) zusätzlich eine Drehzahlregelanordnung (17) zugeordnet ist, die eine mittels eines Drehzahlgebers (15) erfaßte Ist- Drehzahlgröße der vorgegebenen Soll-Drehzahlgröße nachführt, und daß die Drehzahlregelanordnung (17) zur Nachführung der Ist-Drehzahlgröße im wesentli­ chen ausschließlich ein in der an dem Einstellorgan (5) eingestellten Richtung treibendes Abtriebsdreh­ moment zuläßt oder/und ein entgegen der an dem Ein­ stellorgan (5) eingestellten Richtung treibendes Abtriebsdrehmoment auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere Null oder nahezu Null, begrenzt.

2. Drehantrieb für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines Turmdrehkrans, umfassend:

• - einen Elektromotor (1),
• - eine das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors (1) festlegende Drehmomentstellanordnung (9),
• - ein manuell bedienbares-Einstellorgan (5), an dem die Größe und Richtung des Abtriebsdrehmoments variabel einstellbar ist, insbesondere nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Einstellorgans (5) zusätzlich zur Größe und Rich­ tung des durch die Drehmomentstellanordnung (9) festgelegten Abtriebsdrehmoments eine Soll-Dreh­ zahlgröße für den Elektromotor (1) variabel vor­ gebbar ist, daß dem Elektromotor (1) zusätzlich eine Drehzahlregelanordnung (17) zugeordnet ist, die eine mittels eines Drehzahlgebers (15) erfaßte Ist-Drehzahlgröße der vorgegebenen Soll-Drehzahl­ größe nachführt, daß in einem Bereich von Ist- Drehzahlgrößen kleiner als die an dem Einstellor­ gan (5) eingestellte Soll-Drehzahlgröße die Dreh­ momentstellanordnung (9) das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors (1) auf die an dem Einstellorgan (5) eingestellte Größe des Abtriebsdrehmoments festlegt und daß bei Ist-Drehzahlgrößen im Bereich der Solldrehzahlgröße die Drehzahlregelanordnung (17) das Abtriebsdrehmoment festlegt.

3. Drehantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehmomentstellanordnung (9) oder/ und die Drehzahlregelanordnung (17) Rampensteuer­ mittel umfassen, die bei einer Erhöhung oder/und Erniedrigung des Abtriebsdrehmoments des Elektromo­ tors (1) die Änderungsrate des Abtriebsdrehmoments auf einen vorbestimmten Wert begrenzen oder auf einen vorbestimmten Wert festlegen.

4. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels des Einstellorgans (5) eine Soll-Drehmomentgröße für das Abtriebsdreh­ moment des Elektromotors (1) variabel vorgebbar ist und daß die Drehmomentstellanordnung (9) als Drehmo­ mentregelanordnung ausgebildet ist, die eine von Drehmomenterfassungsmitteln (13) erfaßte Ist-Drehmo­ mentgröße der vorgegebenen Soll-Drehmomentgröße nachführt.

5. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelanordnung (17) bei der Nachführung der Ist-Drehzahlgröße die Größe des in der am Einstellorgan (5) eingestellten Richtung treibenden Abtriebsdrehmoments unabhängig von der an dem Einstellorgan (5) für die Drehmoment­ stellanordnung (9) eingestellten Größe des Abtriebs­ drehmoments steuert.

6. Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelanordnung (17) bei der Nachführung der Ist-Drehzahlgröße die Größe des Abtriebsdrehmoments nach oben begrenzt, insbesondere auf die an dem Einstellorgan (5) für die Drehmomentstellanordnung (9) eingestellte Größe des Abtriebsdrehmoments begrenzt.

7. Drehantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelanordnung (17) bei der Nachfüh­ rung der Ist-Drehzahlgröße die Größe des Abtriebs­ drehmoments lediglich für Ist-Drehzahlgrößen größer als ein vorbestimmter Stillstandstoleranz-Grenzwert (37) nach oben begrenzt, nicht jedoch für Ist-Dreh­ zahlgrößen kleiner als der Stillstandstoleranz- Grenzwert (37).

8. Drehantrieb nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Einstellorgan (5) Speichermittel (39) zugeordnet sind, die in Abhängigkeit von der Einstellung des Einstellorgans (5) Werte für das Abtriebsdrehmoment, insbesondere für die Soll-Dreh­ momentgröße oder/und Werte für die Soll-Drehzahl­ größe speichern und daß Mittel zur wählbaren Korrek­ tur oder/und Auswahl der gespeicherten Werte vor­ gesehen sind.

9. Drehantrieb für einen Ausleger eines Drehkrans, insbesondere eines Turmdrehkrans, umfassend:

• - einen Motor, insbesondere Elektromotor (1),
• - eine die Abtriebsdrehzahl des Motors (1) festle­ gende Drehzahlstellanordnung (17),
• - ein manuell bedienbares Einstellorgan (5), an dem die Größe der Abtriebsdrehzahl und die Drehrich­ tung variabel einstellbar ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Drehzahlstellanordnung (17) eine Drehzahlstellung bis in den Feldschwächungsbereich des Motors (1) erlaubt und daß die Drehzahlstell­ anordnung (17) und der Motor (1) für ein Nenn- Drehmoment bei einer Nenn-Drehzahl bemessen sind, die um nicht mehr als etwa 1/3 der maximal ein­ stellbaren Abtriebsdrehzahl des Elektromotors kleiner ist als die maximale Abtriebsdrehzahl.

10. Drehantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) an einen Motor-Treiberströ­ me mit änderbarer Frequenz liefernden Frequenzum­ richter (3) angeschlossen ist und daß die Drehzahl­ stellanordnung (17) die Frequenz des Frequenzumrich­ ters (3) festlegt.