DE19619190C1 - Bremssteuervorrichtung für den Fahrantrieb eines Flurförderzeugs für höhere Fahrgeschwindigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremssteuervorrichtung für den Fahrantrieb eines Flurförderzeugs für höhere Fahr­ geschwindigkeiten.

Batteriegetriebene Flurförderzeuge werden bisher weitge­ hend von Gleichstrommotoren angetrieben. Aus DE-OS 14 80 653 ist jedoch auch bekannt, Drehstromantriebe vorzusehen und hierfür Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer zu verwenden. Die Versorgung der Ansynchronmaschine erfolgt über einen Wechselrichter aus der Batterie. Mit Hilfe des Wechselrichters läßt sich auch die Frequenz verändern, so daß mit Asynchronmaschinen für Flurförderzeuge relativ hohe Drehzahlen gefahren werden können, um es mit relativ großer Geschwindigkeit anzutreiben, beispielsweise mit 15 bis 20 km pro Stunde. Flurförderzeuge, die für diese Ge­ schwindigkeit ausgelegt sind, werden normalerweise mit Verbrennungskraftmaschinen angetrieben. Gleichstrommotoren werden bei Flurförderzeugen aus mechanischen und elektrischen Gründen nicht mit einer derart hohen Drehzahl gefahren, so daß die angegebenen Geschwindigkeitsbereiche verwirklicht werden können. Bekanntlich ist bei Flurförderzeugen aus Gewichts­ gründen eine starke Untersetzung im Antriebssystem erfor­ derlich. Die höhere mögliche Drehzahl bei Drehstrommotoren liegt darin begründet, daß der bei der Gleichstrommaschine erforderliche Kollektor entfällt und der Kurzschlußläufer, insbesondere einer mit einer Aluminiumkäfigwicklung, mechanisch hohe Drehzahlen aushält. Bei Gleichstrommotoren verschlechtert sich die Stromübertragung zwischen Bürsten und Kollektor mit höherer Drehzahl. Die Fliehkräfte von Wickelköpfen und Ankerleitern stellen eine weitere Begren­ zung für die Ankerdrehzahl dar.

Bei mit höherer Drehzahl gefahrenen Flurförderzeugen müs­ sen besondere Vorkehrungen für den Bremsbetrieb geschaffen werden. Die mechanische Bremse, die ohnehin vorhanden ist, reicht insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten nicht aus, um die geforderten Verzögerungswerte zu erhalten. Da­ her ist eine elektrische Abbremsung ein Mittel der Wahl.

Elektrische Bremsschaltungen für Gleichstrom- und Dreh­ strommaschinen sind an sich bekannt.

Bei Gleichstrommaschinen unterscheidet man ein sogenanntes Gegenstrombremsen von dem eine Energierückgewinnung dar­ stellenden generatorischen Abbremsen. Beim Gegenstrombrem­ sen wird das Feld des Motors umgepolt und der Leistungs­ schalter wird ausgeschaltet. Infolge der im Motoranker gespeicherten magnetischen Energie fließt weiterhin ein Strom durch den Anker. Ein Reihenschlußmotor entregt sich bei diesem Betriebszustand selbst, wodurch der fließende Strom zurückgeht. Um weiter abbremsen zu können, muß vor­ übergehend der Leistungsschalter wieder eingeschaltet und damit der Motor an die Klemmen der Batterie gelegt werden. Bei der Energierückgewinnung wird im Generatorbetrieb der Reihenschlußmotor entweder nicht erregt oder bei Erregung steigt der Strom theoretisch gegen Unendlich. Der Reihen­ schlußmotor muß deshalb durch besondere Schaltungsmaßnah­ men geregelt werden. Der Motor wird für den Nutzbremsbe­ trieb umgepolt. Über einen Vorwiderstand und einen Lei­ stungsschalter kann zur Regelung das Feld des Motors vor­ erregt werden.

Die erwähnten Bremsverfahren finden auch bei Drehstroman­ trieben Anwendung. Man unterscheidet hier das verlustbe­ haftete Bremsen, nämlich das sogenannte Gleichstrombrem­ sen, wiederum von dem generatorischen Bremsen, das dem bei Gleichstromantrieben vergleichbar ist. Bei dem verlustbe­ hafteten Bremsen mit Gleichstrom wird die Ständerwicklung an Gleichstrom gelegt. Bei dem generatorischen Bremsen wird die Drehstrommaschine über die synchrone Drehzahl hinaus angetrieben.

Aus EP 0 446 905 A2 ist eine Bremssteuervorrichtung für einen Antrieb für eine Hebevorrichtung bekanntgeworden, der eine Drehstrom-Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer enthält, die über einen Umrichter gespeist ist. Es werden eine Schaltungsanordnung für die Gleichstrombremse sowie eine Meßvorrichtung für den Motorstrom und ein Drehzahl­ messer vorgesehen, wobei eine Fernsteuervorrichtung im Bremsfall oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl die Gleich­ strombremse aktiviert. Aus DE 43 31 721 A1 ist für ein Elektromotorfahrzeug eine Bremssteuervorrichtung mit einer Drehstrom-Asynchronmaschine bekanntgeworden, die über einen Wechselrichter aus einer Batterie gespeist wird, wobei die Steuervorrichtung im Bremsfall eine Generator­ bremse aktiviert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremssteuer­ vorrichtung für den Fahrantrieb eines Flurförderzeugs für höhere Fahrgeschwindigkeiten anzugeben, die über den ge­ samten Geschwindigkeitsbereich des Fahrzeugs ein wirksames Bremsmoment erzeugt, ohne die Leistungsschalter des Wech­ selrichters zu überlasten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Bremssteuervorrichtung ist so­ wohl eine Schaltungsanordnung für eine Gleichstrombremse als auch eine für eine generatorische Bremse vorgesehen. Außerdem ist eine Meßvorrichtung für den Motorstrom und/oder ein Drehzahlmesser vorgesehen sowie eine Wahlschal­ tung, die im Bremsfall entweder die erste oder die zweite Schaltungsanordnung aktiviert bzw. zum Einsatz bringt. Dieser Einsatz ist abhängig von der Drehzahl und/oder dem gemessenen Strom. Oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl er­ folgt das Abbremsen mit Hilfe der Gleichstrombremse. Un­ terhalb dieser Drehzahl bzw. unterhalb eines maximalen Stromwertes erfolgt ein generatorisches Abbremsen.

Bei der Konzipierung der erfindungsgemäßen Bremssteuervor­ richtung wird von folgenden Überlegungen ausgegangen. Das generatorische Bremsen würde bei hohen Fahrgeschwindigkei­ ten zwar viel Energie in die Fahrbatterie zurückspeisen, andererseits ist die Bremsverzögerung jedoch sehr klein. Der Grund für das niedrige Bremsmoment bei hohen Fahrge­ schwindigkeiten liegt an dem besonderen Verlauf der Dreh­ zahl-Drehmoment-Kennlinie des Asynchronmotors. Die Kenn­ linie zeigt, daß bei Steigerung der Drehzahl bis zum soge­ nannten Typenpunkt die Leistung (Motorleistung beim Be­ schleunigen bzw. Generatorleistung beim Bremsen) linear zunimmt. Das Moment ist dabei konstant. Bei Überschreitung des Typenpunktes, d. h. weiterer Steigerung der Drehzahl, steigt die Leistung nicht mehr an. Die Folge ist, daß das Drehmoment hyperbolisch bzw. umgekehrt proportional mit der Drehzahl abnimmt. Besonders bei hohen Fahrgeschwindig­ keiten werden jedoch beim Flurförderzeug hohe Bremsver­ zögerungswerte verlangt.

Das Gleichstrombremsen führt zu relativ hohen Verlusten. Darüber hinaus steigt der Strom bei kleineren Drehzahlen, so daß ein Gleichstrombremsen bei kleineren Geschwindig­ keiten zu einer starken Belastung des Wechselrichters bzw. der Halbleiterschalter führt.

Bei der Erfindung erfolgt eine Kombination von verlustbe­ haftetem Bremsen einerseits und generatorischer Rückspei­ sung andererseits. Die Anwendung der Gleichstrombremse bei höheren Fahrgeschwindigkeiten hat den Vorteil, daß hohe Bremsmomente erreicht werden können. Durch Regelung des Gleichstroms kann die Bremsstärke in weitem Bereich regu­ liert werden. Die hierbei hohen Kurzschlußströme im Läufer belasten weder die Leistungshalbleiter noch mechanische Bauteile, wie etwa die Kohlebürsten und den Kollektor bei Gleichstrommaschinen. Diesen erheblichen Vorteilen steht nur der geringe Nachteil einer Motorerwärmung gegenüber. Wie sich jedoch herausgestellt hat, ist die Temperaturer­ höhung des Läufers nach einem Bremsvorgang relativ gering. Bei einer Verzögerung von zum Beispiel 20 km/h auf 15 km/h ergibt sich eine Temperaturerhöhung von nur wenigen Grad, die ohne weiteres hinnehmbar ist, zumal eine Fremd­ belüftung bei derartigen Antrieben ohnehin vorgesehen ist.

Die verlustbehaftete Gleichstrombremse wird ferner in einem Geschwindigkeitsbereich eingesetzt, der bei weitem nicht so oft durchfahren wird wie der Bereich, in dem die generatorische Bremse Anwendung findet. In der Beschleu­ nigungsphase dauert es wesentlich länger, ein Fahrzeug von 15 auf 20 km/h zu bringen als von 0 auf 15 km/h zu be­ schleunigen. Mit anderen Worten, in dem Geschwindigkeits­ bereich, in dem eine hohe kinetische Energie umzuwandeln ist, wird die verlustbehaftete Gleichstrombremse einge­ setzt, die ein ausreichend starkes Bremsmoment erzeugt, ohne daß es zu einer Überlastung der Leistungsschalter kommt. In dem Bereich, in dem ein Fahrzeug über die meiste Zeit betrieben wird, d. h. von 0 bis 15 km/h zum Beispiel, erfolgt das Bremsen auf generatorischem Wege. Unter den obigen Annahmen wird immer noch mehr Energie rückgewonnen als in Verlustwärme umgewandelt.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Umschaltung von dem einen in den anderen Bremsbetrieb vorzugsweise drehzahlabhängig. Sie kann jedoch auch stromabhängig erfolgen, insbesondere zum Schutz des Wechselrichters bzw. der Leistungshalblei­ ter vor Überlastung. Nach einer Ausgestaltung der Erfin­ dung erfolgt die Umschaltung von der ersten Schaltungsan­ ordnung auf die zweite und umgekehrt im Bereich oberhalb des Typenpunktes der Asynchronmaschine.

Darüber hinaus besteht bei der erfindungsgemäßen Brems­ steuervorrichtung die Möglichkeit, das Bremsmoment dreh­ zahl- bzw. stromabhängig zu steuern und darüber hinaus auch einen Bremsverzögerungswert einzubeziehen, der vom Bediener des Fahrzeugs vorgegeben wird. Der zur Steuerung der Abbremsung vorgegebene Stromsollwert kann daher von verschiedenen Parametern abhängig gemacht werden, um das gewünschte Bremsverhalten zu erzielen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen nä­ her erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Bremssteuervorrich­ tung nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm für das Gleichstrombremsen der Vorrichtung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Drehmoment-Strom-Diagramm für das Gleich­ strombremsen der Vorrichtung nach Fig. 1.

Fig. 4 zeigt im Diagramm die Abhängigkeit vom Moment und Strom beim generatorischen Bremsen.

In Fig. 1 ist eine Drehstrom-Asynchronmaschine 10 angedeu­ tet, die aus einer nicht gezeigten Batterie über einen Wechselrichter gespeist wird. Letzterer ist Bestandteil einer Steuer- und Regelvorrichtung 12. Die Asynchronma­ schine 10 mit Kurzschlußläufer treibt ein Flurförderzeug an, insbesondere ein schnellaufendes Flurförderzeug, das bis 20 km/h und mehr fährt. Die Fahrbetätigung, d. h. die Sollwertvorgabe und die Regelung der Maschine 10 sind nicht dargestellt. Sie ist herkömmlich. In Fig. 1 ist le­ diglich die Bremssteuervorrichtung angedeutet. Sie weist eine erste Schaltungsanordnung für eine Gleichstrombremse auf sowie eine zweite Schaltungsanordnung für generatori­ sches Bremsen, die ebenfalls in der Steuer- und Regelvor­ richtung 12 enthalten sind. Aufbau und Wirkung der beiden Bremsarten sind ebenfalls an sich bekannt. Das Besondere liegt darin, daß sie beide bei entsprechenden Vorgaben wahlweise eingesetzt werden können. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe eines Tachogenerators 14 die Drehzahl gemessen und mit Hilfe einer Strommeßvorrichtung 16 der Motorstrom i_M. Beide Meßwerte gehen auf die Steuer- und Regelvorrich­ tung 12. Eine in der Steuer- und Regelvorrichtung 12 ein­ bezogene Auswahlschaltung bestimmt nach Maßgabe der Meß­ werte n und i_M, welche der beiden Schaltungsanordnungen und damit Bremsarten zum Zuge kommt. Die Auswahl erfolgt in erster Linie drehzahlabhängig. Ab einer bestimmten Drehzahl steigt die Leistung der Maschine 10 nicht mehr an (Typenpunkt), so daß das Drehmoment abfällt. Ein genera­ torisches Abbremsen wäre daher wenig wirksam, weil das Bremsmoment zu klein ausfällt (siehe Fig. 3). Dieser Ef­ fekt wird um so stärker, je höher die Drehzahl ist. Daher wird vorzugsweise im Bereich oberhalb des Typenpunktes die Entscheidung getroffen, welche Bremsart zur Anwendung kommt. Bei einer Drehzahl oberhalb des Typenpunktes er­ folgt eine Gleichstrombremsung in herkömmlicher Weise. Darunter findet die generatorische Abbremsung statt.

Die Vorgabe der Stromsollwerte für die Steuerung der Ma­ schine 10 im Bremsbetrieb erfolgt in den Blöcken 18 bzw. 20. Der Block 18 bildet den Sollwert I_Gleich für den Bremsstrom im Gleichstrombremsbetrieb, und zwar in Abhän­ gigkeit von den Drehzahlwerten und dem Motorstrom sowie der Vorgabe für die Bremsverzögerung entsprechend Block 22. Die Bremsverzögerung wird vom Fahrer des Fahrzeugs vorgegeben. Im Block 20 wird der Sollwert für den Strom I_Gen für den generatorischen Bremsbetrieb vorgegeben. Dies ebenfalls in Abhängigkeit von der Drehzahl n, dem Motor­ strom i_M und dem Sollwert für die Bremsverzögerung 22.

Aus den Fig. 2 bis 4 gehen die Beziehungen von Moment und Strom aus dem Drehmoment Drehzahl-Diagramm bzw. dem Strom-Drehzahl-Diagramm der Maschine 10 hervor.

Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Bremsmoment mit zuneh­ mendem Betrag der Drehzahl zunimmt. Dies ist eine beim Bremsen unerwünschte Abhängigkeit. Daher wird im Block 18 gemäß Fig. 1 dafür gesorgt, daß diese Abhängigkeit aufge­ hoben und in eine gewünschte umgewandelt wird. Auch die quadratische Abhängigkeit des Moments vom Gleichstrom, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wird mit Hilfe des Blocks 18 aufgehoben. Mit Hilfe einer in Block 18 in geeigneter Weise gespeicherten Formel oder einer Tabelle wird daher in Abhängigkeit von den gemessenen Werten für Drehzahl und Strom der Stellwert für den Bremsstrom gebildet. In Fig. 2 ist die Kennlinie für das Bremsmoment mit 30 be­ zeichnet. Außerdem ist bei 32 die Generatorkennlinie ge­ strichelt angedeutet. In Fig. 3 ist die Kennlinie mit 36 bezeichnet.

In Fig. 4 ist zu erkennen, daß beim generatorischen Brems­ betrieb bis zum Typenpunkt das Bremsmoment unabhängig von der Drehzahl und proportional zum Motorstrom ist. Oberhalb des Typenpunktes nimmt das Drehmoment umgekehrt zur Dreh­ zahl ab. Im Block 20 der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann wiederum der Generatorstrom entsprechend der Sollvor­ gabe geregelt und auch die Drehzahlabhängigkeit oberhalb des Typenpunktes in entsprechender Weise berücksichtigt werden.

Claims (5)

1. Bremssteuervorrichtung für den Fahrantrieb eines Flur­ förderzeugs für höhere Fahrgeschwindigkeiten, enthal­ tend:

• - eine Drehstrom-Asynchronmaschine mit Kurzschlußläufer, die über einen Wechselrichter aus einer Batterie ge­ speist ist,
• - eine erste Schaltungsanordnung für eine Gleichstrom­ bremse,
• - eine zweite Schaltungsanordnung für eine generatori­ sche Bremse sowie
• - eine Meßvorrichtung (16) für den Motorstrom und/oder einen Drehzahlmesser (14) und eine Wahlschaltung, die im Bremsfall oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl die erste Schaltungsanordnung (Gleichstrombremse) akti­ viert und die zweite Schaltungsanordnung (Generator­ bremse) aktiviert, wenn die vorgegebene Drehzahl unterschritten wird und/oder der Motorstrom einen vorgegebenen Wert übersteigt.

2. Bremssteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umschaltung von der ersten Schal­ tungsanordnung auf die zweite im Bereich oberhalb des Typenpunktes der Asynchronmaschine (10) erfolgt.

3. Bremssteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltungsanordnung einen mit der Strommeßvorrichtung (16) und/oder dem Drehzahlmes­ ser (14) verbundenen Strom-Sollwertgeber (18, 20) auf­ weist, dessen Ausgangswert von der Drehzahl und/oder dem Strom abhängig ist.

4. Bremssteuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strom-Sollwertgeber (18) für die Gleichstrombremse so ausgelegt ist, daß die Abhängig­ keit des Bremsmoments von der Drehzahl und/oder dem Strom weitgehend kompensiert wird.

5. Bremssteuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-Sollwertgeber (18, 20) mit einem Sollwertgeber (22) für die Bremsverzögerung verbunden sind zur Beeinflussung des Stromsollwertes in Abhängigkeit von der gewünschten Bremsverzögerung.