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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung
des Antriebs einer zwischen einem Lastbetrieb und einem Leerbetrieb
umschaltbaren Fördereinrichtung
in Form einer Fahrtreppe oder eines Fahrsteiges. Dabei umfasst die Fördereinrichtung
einen Netzspannungsanschluß, der
eine Netzfrequenz liefert, einen elektrischen Antriebsmotor, insbesondere
in Form eines Induktionsmotors oder Synchronmotors, und einen Betriebsartenumschaltbedarf
signalisierenden Beförderungsbedarfsignalgeber.
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Eine
typische Fördereinrichtung
zur Personenförderung
in Form einer Fahrtreppe oder eines Fahrsteigs umfaßt eine
Vielzahl dicht benachbarter Trittplatten, die mit Hilfe des Antriebsmotors
in Form eines Endlosbandes in gewünschter Förderrichtung bewegt werden.
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Um
den Energieverbrauch und die Abnutzung derartiger Fördereinrichtungen
zu reduzieren, ist man dazu übergegangen,
solche Fördereinrichtungen
nur bei Förderbedarf
in Förderbewegung
zu versetzen, sie ansonsten zum Stillstand zu bringen. Zu diesem
Zweck ist ein Beförderungsbedarfsignalgeber
vorgesehen, beispielsweise in Form einer Trittplatte, einer Lichtschranke
oder eines manuell betätigbaren
Schalters, mittels welchem das Vorliegen von Beförderungsbedarf festgestellt
werden kann. Liegt Beförderungsbedarf
vor, beispielsweise weil ein Fahrgast auf die Trittplatte getreten
ist, wird die Fördereinrichtung
für eine
vorbestimmte Zeitdauer in Förderbewegung
versetzt und wieder abgeschaltet, wenn innerhalb einer vorbestimmten
Zeitdauer kein weiterer Beförderungsbedarf
festgestellt worden ist.
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Aus
der WO 98/18711 ist es bekannt, zur Vermeidung von Spitzenbelastungen
während
häufigen
Ein- und Ausschaltens der Fördereinrichtung den
Antriebsmotor nicht abrupt ein- und auszuschalten sondern bei Umschaltvorgängen die
Drehzahl des Antriebsmotors rampenförmig ansteigen beziehungsweise
abfallen zu lassen. Für
derartige Fördereinrichtungen
werden vorwiegend Induktionsmotoren verwendet. Da die Drehzahl eines
Induktionsmotors von der Frequenz der ihn speisenden Wechselspannung
abhängt,
was bei direkter Speisung aus einem Wechselspannungsnetz mit konstanter
Netzfrequenz konstante Drehzahl des Induktionsmotors bedeutet, wird
ein steuerbarer Frequenzumrichter eingesetzt, mit welchem die ihm
zugeführte
Netzfrequenz in steuerbarer Weise in eine von der Netzfrequenz verschiedene
Ausgangsfrequenz umgesetzt werden kann.
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Die
Kosten für
einen Frequenzumrichter, welcher den Antriebsmotor einer Fahrtreppe
oder eines Fahrsteigs auch bei Lastbetrieb speist, wären hoch,
da sie mit der Ausgangsleistung, welche ein Frequenzumrichter liefern
können
muß, enorm
ansteigen.
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Um
die Anschaffungs- und Betriebskosten niedriger zu halten, sieht
die WO 98/18711 vor, daß die
Fördereinrichtung
nur im Lastbetrieb mit voller Fördergeschwindigkeit
angetrieben wird, in einem Stand-By-Betrieb oder Leerbetrieb, während welchem
kein Förderbedarf
besteht, jedoch nur mit einer reduzierten Leerbetriebgeschwindigkeit,
und daß der Antriebsmotor
nur während
des Leerbetriebs und der Umschaltvorgänge aus dem Frequenzumrichter
gespeist wird, während
des Lastbetriebs jedoch direkt aus der Netzspannungsquelle. Dies
schafft die Möglichkeit,
den Frequenzumrichter hinsichtlich seiner Maximalleistung viel niedriger
auszulegen, was zu einer beträchtlichen
Kosteneinsparung gegenüber
einem Frequenzumrichter führt,
dessen Maximalleistung dem Lastbetrieb der Fördereinrichtung angepaßt ist.
Die aus der WO 98/18711 bekannte Fördereinrichtung geht dann,
wenn nach Durchführung
eines Förderauftrags
kein weiterer Förderbedarf gemeldet
wird, zunächst
in den Leerbetrieb über
und wird in den Stillstand erst dann geschaltet, wenn für eine vorbestimmte
Zeitdauer nach dem Übergang
in den Leerbetrieb kein erneuter Förderbedarf gemeldet wird.
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Durch
die genannten Maßnahmen
hat man eine beträchtliche
Reduzierung von Lastspitzen und abrupten Geschwindigkeitsänderungen
der Fördereinrichtungen
erreicht. Bei Wechseln zwischen Netzspeisung und Frequenzumrichterspeisung
des Antriebsmotors kann es aber immer noch zu hohen Übergangsströmen kommen,
und zwar aufgrund der jeweiligen Eigenspannung des Antriebsmotors,
die zu einer Überlastung
des Frequenzumrichters und zu ruckartigen Bewegungsänderungen
der Fördereinrichtung
führen
können.
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Derartige
Erscheinungen sollen mit der vorliegenden Erfindung überwunden
werden.
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In
US 4 748 394 A wird
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Antriebs einer Fördereinrichtung
in Form einer Fahrtreppe beschrieben. Die Fördereinrichtung weist einen
Antriebsmotor und einen hinsichtlich seiner Ausgangsfrequenz steuerbaren
Frequenzumrichter auf und ist zwischen einem Lastbetrieb und einem
Leerbetrieb umschaltbar. Der Antriebsmotor wird im Lastbetrieb mit
einer Netzspannung und im Leerbetrieb mit einer Ausgangsspannung
des Frequenzumrichters gespeist. Nachdem ein Betriebsartenumschaltbedarf
signalisiert wird, ist die Steuerung derart ausgelegt, dass ein
weitgehend ruckfreier Übergang
vom Frequenzumrichterbetrieb in den Netzbetrieb gewährleistet
ist, wozu insbesondere die Spannungsphasenlage berücksichtigt
wird. Bei dem bekannten Verfahren wird davon ausgegangen, dass die
Netzfrequenz im Wesentlichen einen konstanten Wert von hier 60 Hz
aufweist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Fördereinrichtung
der eingangs genannten Art ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben,
die einen weitgehend ruckfreien Übergang zwischen
einem Lastbetrieb und einem Leerbetrieb der Fördereinrichtung ermöglichen,
wobei außerdem Netzfrequenzänderungen
kompensiert werden sollen.
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Dies
gelingt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß Anspruch
1 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß Anspruch
10, wobei Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung in
den abhängigen
Ansprüchen
angegeben sind.
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Auch
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
der Antriebsmotor im Lastbetrieb mit einer Netzspannung und im Leerbetrieb
mit einer Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters gespeist. Um das
erfindungsgemäße Ziel
zu erreichen, werden die Netzspannung und die Frequenzumrichterausgangsspannung
hinsichtlich Frequenz und Phasenlage miteinander verglichen und
wird der Frequenzumrichter auf eine Ausgangsfrequenz geregelt, die
einen vorbestimmten Frequenzabstand von der Netzfrequenz aufweist.
Ist mittels eines Beförderungssignalgebers ein
Bedarf für
ein Umschalten der Fördereinrichtung von
Lastbetrieb auf Leerbetrieb oder umgekehrt signalisiert worden,
wird zu demjenigen Zeitpunkt nach dem Signalisieren dieses Betriebsartenumschaltbedarfs,
zu welchem die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters sowohl den
vorbestimmten Frequenzabstand zur Netzfrequenz aufweist als auch ein
vorbestimmter Phasenabstand zwischen der Frequenzumrichterausgangsfrequenz
und der Netzfrequenz erreicht worden ist, ein die Umschaltung des Antriebsmotors
zwischen Frequenzumrichterspeisung und Netzspeisung auslösendes Umschaltsteuersignal
erzeugt.
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Die
zum Umschalten zwischen Netzspeisung und Frequenzumrichterspeisung
verwendeten Schaltereinrichtungen, üblicherweise Schütze, arbeiten
einerseits nicht verzögerungsfrei
und andererseits ist eine Stromloszeit zwischen dem Abfallen des einen
Schützes
und dem Anziehen des anderen Schützes
erforderlich, um einen Kurzschluß des Netzes über den
Frequenzumrichter zu vermeiden. Zwischen der Abgabe eines Umschaltsteuersignals
und dem Abfallen des zuvor leitenden Schützes und schließlich dem
Anziehen des anderen Schützes
gibt es eine bestimmte inhärente
Reaktionsverzögerung, die
von den speziellen Komponenten der speziellen Fördereinrichtung abhängt.
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Daher
kann man einen glatten Übergang zwischen
Frequenzumrichterspeisung und Netzspeisung und umgekehrt nicht dadurch
erreichen, dass man die Netzspannung und die Ausgangsspannung des
Frequenzumrichters auf Übereinstimmung
von Frequenz und Phasenlage überwacht
und ein Umsteuersignal zu demjenigen Zeitpunkt erzeugt, zu welchem
eine derartige Übereinstimmung
festgestellt ist. Bis es aufgrund der inhärenten Reaktionsverzögerung zum
tatsächlichen
Umschalten kommt, wäre schon
wieder eine Frequenz- und Phasenabweichung vorhanden und fände kein
glatter Übergang zwischen
Netzspeisung und Frequenzumrichterspeisung statt.
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Daher
wird erfindungsgemäß ein Umschaltvorgang "vorausschauend" gesteuert, d.h.,
unter Einplanung der Reaktionsverzögerung und der während der
Reaktionsverzögerung
auftretenden Frequenz- und Phasenänderungen zwischen Netzfrequenz
und Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters. Zu diesem Zweck werden
für eine
spezielle Fördereinrichtung
die inhärente
Reaktionsverzögerung,
die während
der Reaktionsverzögerung
auftretende Frequenzänderung
der Motorspannung und die während der
Reaktionsverzögerung
auftretende Änderung
der Phasendifferenz zwischen der Netzfrequenz und der Ausgangsfrequenz
des Frequenzumrichters ermittelt und wird das Umschaltsteuersignal
zu einem Vorlaufzeitpunkt erzeugt, bei welchem sowohl ein vorbestimmter
Frequenzabstand als auch ein vorbestimmter Phasenabstand zwischen
der Netzspannung und der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters
bestehen. Zum Ende der Reaktionsverzögerung liegt dann die für ein glattes
Umschalten erforderliche Frequenz- und Phasenübereinstimmung vor.
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Das
Vorzeichen des vorbestimmten Frequenzabstandes hängt davon ab, in welcher Richtung
umgeschaltet wird. Während
der Stromloszeit, während
welcher der Antriebsmotor weder aus dem Netz noch aus dem Frequenzumrichter
gespeist wird, nimmt die Motordrehzahl aufgrund von inhärenten Reibungsverlusten
der Fördereinrichtung
ab. Da von einer Netzfrequenz ausgegangen wird, welcher die Motordrehzahl
am Ende eines Umschaltvorgangs entsprechen soll, liegt der vorbestimmte
Frequenzabstand der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters bei
Umschaltung von Frequenzumrichterspeisung oberhalb der Netzfrequenz
und bei Umschaltung von Netzspeisung auf Frequenzumrichterspeisung
unterhalb der Netzfrequenz.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich ausführen mit
einer elektrischen Steuervorrichtung zur Regelung des Antriebs einer
zwischen einem Lastbetrieb und einem Leerbetrieb umschaltbaren Fördereinrichtung
in Form einer Fahrtreppe oder eines Fahrsteiges, die einen Netzspannungsanschluss mit
einer Netzfrequenz, einen Antriebsmotor und einen Betriebsartenumschaltbedarf
signalisierenden Beförderungsbedarfsignalgeber
aufweist, wobei die Steuervorrichtung einen hinsichtlich seiner
Ausgangsfrequenz steuerbaren Frequenzumrichter aufweist sowie eine
steuerbare Umschalteinrichtung mit einem Lastbetriebsschaltzustand,
in welchem der Antriebsmotor mit dem Netzspannungsanschluß direkt
gekoppelt ist, und einem Leerbetriebsschaltzustand, in welchem der
Antriebsmotor mit dem Netzspannungsanschluss über den Frequenzumrichter gekoppelt
ist, und eine Synchronisiereinrichtung, mittels welcher die Ausgangsfrequenz
des Frequenzumrichters steuerbar ist, die Ausgangsspannungen von
Netzspannungsanschluss und Frequenzumrichter hinsichtlich Frequenz
und Phasenlage miteinander vergleichbar sind, der Frequenzumrichter
auf eine Ausgangsfrequenz regelbar ist, die einen vorbestimmten
Frequenzabstand von der Netzfrequenz aufweist, und zu demjenigen
Zeitpunkt nach dem Signalisieren eines Betriebsartenumschaltbedarfs,
zu welchem die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters sowohl den
vorbestimmten Frequenzabstand zur Netzfrequenz aufweist als auch
ein vorbestimmter Phasenabstand zwischen den Ausgangsspannungen
von Frequenzumrichter und Netzspannungsanschluß erreicht worden ist, ein
Umschaltsteuersignal an die Umschalteinrichtung lieferbar ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Schaltereinrichtungen der Umschalteinrichtung
je durch ein Schaltschütz
gebildet. Schaltschütze,
die für
eine Schaltleistung ausgelegt sind, wie man sie im Zusammenhang
mit Fahrtreppen und Fahrsteigen benötigt, haben üblicherweise eine
inhärente
Abschaltverzögerung
zwischen dem Erhalt eines Ausschaltsteuersignals und dem tatsächlichen Übergang
in den nicht leitenden Zustand und eine inhärente Anziehverzögerung zwischen dem
Erhalt eines Einschaltsteuersignals und dem tatsächlichen Übergang in den leitenden Zustand.
In diesem Fall setzt sich die inhärente Reaktionsverzögerung der
Umschalteinrichtung aus der Abfallverzögerung des bisher leitenden
Schützes,
der Stromloszeitdauer, während
welcher dem Antriebsmotor keine elektrische Energie zugeführt wird,
und der Anziehverzögerung
des bisher nicht leitenden Schützes
zusammen.
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Der
vorbestimmte Frequenzabstand und der vorbestimmte Phasenabstand
von Netzspannung und Frequenzumrichterausgangsspannung, die zu dem
Zeitpunkt vorliegen sollen, zu welchem das Umschaltsteuersignal
erzeugt wird, werden empirisch unter Zugrundelegung der jeweiligen
Stromloszeitdauer und gegebenenfalls der jeweiligen Abschaltverzögerung einer
praktischen Ausführungsform
einer Fördereinrichtung
festgelegt. Hierzu wird ermittelt, in welchem Maß sich Frequenz und Phasenlage der
Klemmenspannung des Antriebsmotors während der Stromloszeitdauer ändern und
wie groß die
Abfallverzögerung
ist. Daraus ergibt sich, zu welchem Zeitpunkt eines Umschaltvorgangs
das Umschaltsteuersignal erzeugt werden muß, damit bei Beginn des Leitendwerdens
der bisher nicht leitenden Schaltereinrichtung Übereinstimmung zwischen der
Motorklemmenspannung und der mit dieser Schaltereinrichtung geschalteten
Motorspeisequelle hinsichtlich Frequenz und Phasenlage besteht oder
mindestens im wesentlichen besteht.
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Um
zu berücksichtigen,
daß die
Motordrehzahl des Antriebsmotors während der jeweiligen Stromloszeitdauer
abnimmt, wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters je nachdem,
ob sich die Fördereinrichtung
im Lastbetrieb oder im Leerbetrieb befindet, auf einen vorbestimmten
Frequenzabstand über
der Netzfrequenz bzw. unter der Netzfrequenz geregelt. In beiden
Fällen
ist der Frequenzabstand derart gewählt, daß er der Abnahme der Frequenz
der Motorklemmenspannung während
der Stromloszeitdauer des jeweiligen Umschaltvorgangs entspricht.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, daß die
Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters im Zusammenhang mit Umschaltvorgängen mit ansteigender
bzw. abfallender Flanke geregelt wird. Vorzugsweise wird die Ausgangsfrequenz
des Frequenzumrichters außerhalb
solcher Rampen auf den vorbestimmten Frequenabstand gegenüber der Netzfrequenz
geregelt. Hierfür
kann eine Zweipunktregelung eingesetzt werden. Um beim Umschalten von Stillstand
auf Lastbetrieb einerseits ein schnelles Erreichen der endgültigen Lastbetriebsdrehzahl
des Antriebsmotors und andererseits einen kurzen Regelvorgang zu
ermöglichen,
sieht eine Ausführungsform
der Erfindung vor, daß die
Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters in einem ersten Rampenteil, der
einen vorbestimmten Abstand unterhalb der Netzfrequenz liegt, mit
steilerer Anstiegsrampe und ab Erreichen dieses Abstandes mit einer
flacheren Anstiegsrampe gesteuert wird.
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Eine
erfindungsgemäße Steuervorrichtung weist
zur Umschaltung zwischen Lastbetrieb und Leerbetrieb eine Umschalteinrichtung
auf, die vorzugsweise zwei Schaltschütze enthält, und eine Synchronisiereinrichtung,
mittels welcher die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters steuerbar
ist, die Ausgangsspannungen von Netzspannungsanschluß und Frequenzumrichter
hinsichtlich Frequenz und Phasenlage miteinander vergleichbar sind,
der Frequenzumrichter auf den vorbestimmten Frequenzabstand von
der Netzfrequenz regelbar ist und ein Umschaltsteuersignal zu demjenigen
Zeitpunkt nach dem Signalisieren eines Betriebsartenumschaltbedarfs
lieferbar ist, zu welchem die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters
sowohl den vorbestimmten Frequenzabstand zur Netzfrequenz aufweist
als auch ein vorbestimmter Phasenabstand zwischen den Ausgangsspannungen
von Frequenzumrichter und Netzspannungsanschluß erreicht worden ist.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
zum Teil aufgeschnittene, perspektivische Ansicht einer Fahrtreppe;
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2 ein
elektrisches Schaltbild, teilweise in Blockdarstellung, mit einer
erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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3 eine
zeitliche Darstellung von Abläufen
im Zusammenhang mit einer Umschaltung von Stillstand auf Lastbetrieb;
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4 eine
zeitliche Darstellung von Abläufen
im Zusammenhang mit einer Umschaltung von Lastbetrieb auf Leerbetrieb;
und
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5a und 5b ein
Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens.
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Als
Beispiel für
eine erfindungsgemäße Fördereinrichtung
wird eine Fahrtreppe betrachtet, wie sie in 1 in teilweise
geschnittener, perspektivischer Ansicht zu sehen ist.
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Die
in 1 gezeigte Fahrtreppe 10 umfaßt einen
unteren Treppenabsatz 12, einen oberen Treppenabsatz 14,
ein Tragwerk 16, eine Vielzahl von hintereinander aufgereihten,
ein Endlosband bildenden Trittplatten 18, eine Schleppkette 22 zum
Antreiben der Trittplatten 18, ein Paar Balustraden 24,
die sich zu beiden Seiten der aufgereihten Trittplatten 18 erstrecken,
einen Antriebsmotor 26, der antriebsmäßig mit der Schleppkette 22 gekoppelt
ist, eine mit dem Antriebsmotor 26 zusammenwirkende Steuervorrichtung 28 und
einen Beförderungsbedarfsignalgeber
in Form eines Fahrgastsensors 32, bei dem es sich beispielsweise
um eine Lichtschranke handeln kann. Die Trittplatten 18 bilden
die Plattformen für
das Befördern
von Fahrgästen
zwischen den beiden Treppenabsätzen 12 und 14.
Jede der beiden Balustraden 24 umfaßt einen beweglichen Handlauf 34,
der mit derselben Geschwindigkeit wie die Trittplatten 18 angetrieben
wird.
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Die
Steuervorrichtung 28 bestimmt die dem Antriebsmotor 26 zugeführte elektrische
Energie und steuert damit die Drehzahl der Antriebsmotor 26 und somit
die Bewegungsgeschwindigkeit der Trittplatten 18.
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2 zeigt
ein elektrisches Schaltbild mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.
Diese umfaßt
einen Frequenzumrichter 42, eine Synchronisiereinrichtung 44,
ein erstes Schütz
K1, ein zweites Schütz
K2, eine Umschaltsteuereinrichtung 46 und eine als Beförderungsbedarfsignalgeber
dienende Kontaktmatte 48. Die gesamte Schaltungsanordnung
ist dreiphasig ausgebildet und wird von einem dreiphasigen Wechselstromnetz
mit drei Phasenleitungen L1, L2 und L3 gespeist.
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Der
Frequenzumrichter 42 ist eingangsseitig mit den drei Leitungen
L1-L3 des Netzes
verbunden. Der Antriebsmotor 26 ist über das Schütz K1 mit der Ausgangsseite
des Frequenzumrichters 42 und über das Schütz K2 mit den Leitungen L1-L3
des Netzes verbunden. Von der Synchronisiereinrichtung 44 führen drei
Steuerleitungen S1, S2 und S3 auf Steuereingänge des Frequenzumrichters 42.
Außerdem führt von
der Synchronisiereinrichtung 44 eine Steuerleitung S4 auf
einen Steuereingang der Umschaltsteuereinrichtung 46. Von
der Umschaltsteuereinrichtung 46 führen eine Steuerleitung S5
auf einen weiteren Steuereingang des Frequenzumrichters 42, eine
Steuerleitung S6 auf einen Steuereingang des Schützes K1 und eine Steuerleitung
S7 auf einen Steuereingang des Schützes K2. Von der Kontaktmatte 48 führt eine
Steuerleitung S8 auf einen Steuereingang der Umschaltsteuereinrichtung 46.
Von der Umschaltsteuereinrichtung 46 führt eine Steuerleitung S9 auf
einen Steuereingang der Synchronisiereinrichtung 44.
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Über die
Steuerleitungen S5, S6 und S7 werden dem Frequenzumrichter 42 bzw.
dem Schütz
K1 bzw. dem Schütz
K2 EIN/AUS-Steuersignale zugeführt. Über die
Steuerleitung S3 erhält
der Frequenzumrichter 42 von der Synchronisiereinrichtung 44 ein Rampensteuersignal. Über die
Steuerleitung S4 erhält
die Umschaltsteuereinrichtung 46 von der Synchronisiereinrichtung 44 einen
Umschaltsteuerimpuls. Über
die Steuerleitung S8 erhält
die Umschaltsteuereinrichtung 46 von der Kontaktmappe 48 ein Beförderungsbedarfssignal.
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Die
Umschaltsteuereinrichtung 46 enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor,
mit welchem der Frequenzumrichter 42 und die beiden Schütze K1 und
K2 in Abhängigkeit
von einem von der Kontaktmatte 48 erhaltenen Beförderungsbedarfsignal
bzw. von dem von der Synchronisiereinrichtung 44 erhaltenen
Umschaltsteuersignal schaltbar sind.
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Die
Synchronisiereinrichtung 44 steuert über die Steuerleitungen S1
und S2 eine Anhebung bzw. eine Absenkung der Ausgangsfrequenz f
des Frequenzumrichters 42, und zwar in Abhängigkeit
eines Steuersignals, das der Synchronisiereinrichtung 44 über die
Steuerleitung S9 zugeführt
wird. Messeingänge
E1 und E2 der Synchronisiereinrichtung 44 sind über ein
Leitungspaar 50 bzw. ein Leitungspaar 52 mit zwei
Ausgangsleitungen des Frequenzumrichters 42 bzw. zwei entsprechenden
Leitungen des Netzes verbunden. Über
die Messeingänge
E1 und E2 werden die Phasenlage und die Frequenz einer Netzphase
sowie die Frequenz und die Phasenlage einer entsprechenden ausgangsseitigen
Phase des Frequenzumrichters gemessen. Die Synchronisiereinrichtung 44 umfaßt eine
mit den Messeingängen E1
und E2 verbundene Vergleichseinrichtung, mittels welcher die Netzspannung
und die Ausgangsspannung des Frequenzumrichters hinsichtlich Frequenz und
Phasenlage miteinander verglichen werden können.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird für
die Synchronisiereinrichtung 44 ein an die spezielle Anwendung
angepasstes Synchronisierrelais der dänischen Firma DEIF mit der
Artikelbezeichnung GAS-113DG verwendet.
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Für den Zeitpunkt
der Abgabe des Umschaltsteuerimpulses sind folgende Parameter zu
berücksichtigen:
- a) Die inhärente
Verzögerung
zwischen dem Auftreten des Umschaltsteuerimpulses und der Abgabe
des Ausschaltsteuersignals an das nicht leitend zu schaltende Schütz;
- b) die inhärente
Ausschaltverzögerung
eines Schützes
zwischen dem Erhalt des Ausschaltsteuersignals und dem Umschalten
in den nicht leitenden Zustand;
- c) die die Stromloszeit bildende inhärente Verzögerung zwischen dem Umschalten
des einen Schützes
in den nicht leitenden Zustand und dem Umschalten des anderen Schützes in
den leitenden Zustand;
- d) die inhärente
Einschaltverzögerung
eines Schützes
zwischen dem Erhalt des Einschaltsteuersignals und dem Umschalten
in den leitenden Zustand;
- e) der auf inhärenter
Reibung der Fördereinrichtung
beruhende Drehzahlabfall des Antriebsmotors während der Stromloszeitdauer,
während welcher
der Antriebsmotor weder aus dem Netz noch aus dem Frequenzumrichter
gespeist wird; und
- f) die Klemmenspannung des Antriebsmotors, deren Phasenlage
und Amplitude von der Motorzeitkonstanten und der für das Umschalten
benötigten
Zeitdauer abhängt.
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Wird
als Antriebsmotor ein Induktionsmotor verwendet, kommt als weiterer
Parameter hinzu:
- g) der Schlupf des Antriebsmotors.
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Alle
diese Parameter können
für eine
spezielle Fördereinrichtung
empirisch ermittelt werden. Daraus können der vorbestimmte Frequenzabstand gegenüber der
Netzfrequenz, auf welchen die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 zu
regeln ist, und der Zeitpunkt, zu welchem der Umschaltsteuerimpuls
abgegeben werden muß,
um zum Beginn des Leitens des zuvor nicht leitenden Schützes Frequenz-
und Phasenübereinstimmung
zwischen Netzspannung und Motorklemmenspannung zu erreichen, bestimmt
werden.
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Mittels
der Synchronisiereinrichtung 44 wird die Ausgangsfrequenz
des Frequenzumrichters 42 auf den vorbestimmten Frequenzabstand
gegenüber der
Netzfrequenz geregelt und durch Ermittlung der Phasendifferenz zwischen
der gemessenen Netzphase und der entsprechenden Phase des Frequenzumrichters 42 wird
das Auftreten des vorbestimmten Phasenabstandes ermittelt. Ein Umschaltsteuerimpuls
wired von der Synchronisiereinrichtung 44 dann abgegeben,
wenn die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sind:
- 1.
Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichtres 42 liegt innerhalb
eines definierten Toleranzbereichs in dem vorbestimmten Frequenzabstand zur
Netzfrequenz; und
- 2. der Phasenwinkel zwischen der überwachten Phase des Netzes
und der entsprechenden Phase des Frequenzumrichters 42 wird
nach einer bestimmbaren Zeitdauer ab dem Auftreten des Umschaltsteuerimpulses
Null sein.
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Da
man für
eine spezielle Fördereinrichtung ermitteln
kann, welche Zeitdauer für
eine bestimmte Phasenlagenänderung
erforderlich ist, kann man die für
den Umschaltsteuerimpuls erforderliche Vorlaufzeit bis zum Erreichen
der gewünschten Übereinstimmung
der Phasenlagen bestimmen.
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Die
genauere Arbeitsweise der in 2 gezeigten
Schaltungsanordnung wird nun anhand der 3 und 4 näher betrachtet.
Dabei zeigt 3 den Vorgang einer Umschaltung
von Stillstand auf Lastbetrieb, während 4 den Vorgang
einer Umschaltung von Lastbetrieb auf Leerbetrieb oder Stand-By-Betrieb
zeigt. Beide Figuren zeigen Frequenzverläufe, die Schaltzustände der
Schütze
K1 und K2 sowie das Auftreten eines Umschaltsteuerimpulses SP in
Abhängigkeit
von der Zeit. In den 3 und 4 bedeuten
fNetz die Netzfrequenz, Δfup einen vorbestimmten
Frequenzabstand oberhalb fNetz und Δdown einen
vorbestimmten Frequenzabstand unterhalb fNetz.
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Anhand
der 3 werden zunächst
die Vorgänge
beim Umschalten der Fördereinrichtung
von Stillstand auf Lastbetrieb betrachtet.
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Nach
dem Einschalten der Fördereinrichtung aufgrund
eines Beförderungsbedarfssignals
von der Kontaktmatte 48 wird der Antriebsmotor 26 über das leitend
geschaltete Schütz
K1 aus dem Frequenzumrichter 42 gespeist und mit einem
Statordrehfeld entsprechend der in 3 gezeigten
zweistufigen Anstiegsrampe der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 beschleunigt.
Dabei erfolgt zunächst eine
stärkere
Beschleunigung entsprechend dem ersten steileren Rampenteil von
0 Hz auf FNetz-1,5Hz, woran sich eine langsamere
Beschleunigung von FNetz-1,5Hz über FNetz hinaus auf FNetz+Δfup anschließt.
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Da
die Synchronisiereinrichtung 44 laufend die Netzfrequenz
mißt und
sich bei der Einstellung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 an
der Netzfrequenz orientiert, werden Netzfrequenzänderungen kompensiert.
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Sind
alle Bedingungen für
die Synchronisierung erfüllt,
das heißt,
daß sich
die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 auf fNetz+Δfup befindet und nach der Summe aus der inhärenten Ausschaltverzögerung Δtd und der Stromloszeitdauer Δti eine Phasenabweichung 0 erreicht sein wird,
wird zum Zeitpunkt t1 der Umschaltsteuerimpuls
erzeugt. Nach Ablauf der inhärenten
Ausschaltverzögerung Δtd des Schützes
K1 zum Zeitpunkt t2 geht das Schütz K1 vom
leitenden in den nicht leitenden Zustand und der Antriebsmotor 26 in
den stromlosen Zustand über.
Die Frequenz der Motorspannung verringert sich schlagartig entsprechend
dem einer Induktionsmaschine eigenen Schlupf. Danach verringert
sich die Frequenz der Motorspannung aufgrund Reibungsverlusten in
dem Antriebsmotor 26 und in der Fördereinrichtung. Da Δfup unter Berücksichtigung des Schlupfes
und des Frequenzabfalls der Motorklemmenspannung gewählt worden
ist, landet die Frequenz der Motorklemmenspannung zum Zeitpunkt
t3, zu welchem das Schütz K2 in den leitenden Zustand übergeht
und die Speisung des Antriebsmotors 26 aus dem Schütz K2 beginnt,
bei der Netzfrequenz fNetz.
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Die
Ströme
innerhalb der Statorwindung des Antriebsmotors 26 sind
nach dem Abtrennen des Antriebsmotors 26 von dem Frequenzumrichter 42 Null. Es
ist jedoch noch ein Magnetfeld vorhanden. Dieses Magnetfeld induziert
eine Restspannung in der Statorwindung, die sich mit zunehmender
Zeit exponentiell verringert. Aufgrund der großen Zeitkonstanten der für Fördereinrichtungen
verwendeten Antriebsmotoren ist die Restspannung noch hoch, wenn
der Antriebsmotor 26 wieder mit Strom versorgt wird.
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Zum
Zeitpunkt t3 geht das Schütz K3 in
den leitenden Zustand über
und wird der Antriebsmotor 26 mit dem Netz verbunden, so
daß er
nun unter voller Lastbedingung arbeiten kann.
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Der
Frequenzabstand Δfup der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 42 kompensiert die
sprunghafte Frequenzverringerung der Motorklemmenspannung aufgrund
des Motorschlupfes und den Abfall der Frequenz der Motorklemmenspannung
aufgrund Reibungsverlusten.
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Aufgrund
der zeitlichen Verzögerung
zwischen t1 und t3 entsteht
eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen der Netzspannung und
der Restspannung an den Motorklemmen. Diese Phasenverschiebung wird berücksichtigt,
um hohe Übergangsströme nach
dem Übergang
des Schützes
K2 in den leitenden Zustand zu vermeiden. Daher wird der Umschaltsteuerimpuls
nicht zu demjenigen Zeitpunkt abgegeben, zu welchem exakt Übereinstimmung
zwischen den Phasen von Netzspannung und Motorklemmenspannung besteht
sondern mit einer vorbestimmten Vorlaufzeit vor dem Zeitpunkt, zu
welchem die Speisung des Antriebsmotors auf dem Netz beginnt.
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Der
in 4 gezeigte Vorgang für das Umschalten von Lastbetrieb
auf Leerbetrieb dann, wenn für
eine vorbestimmte Zeitdauer kein erneuter Beförderungsbedarf signalisiert
worden ist, läuft ähnlich ab wie
der in 3 dargestellte Umschaltvorgang. Ein Hauptunterschied
besteht darin, daß die
Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 vor dem Umschaltvorgang
auf einen vorbestimmten Frequenzabstand Δfdown unterhalb
der Netzfrequenz fNetz geregelt wird. Die
Umschaltung der Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 auf
diese Ausgangsfrequenz geschieht beispielsweise nach Ablauf einer
vorbestimmten Zeitdauer seit dem letzten Beförderungsbedarfsignal.
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Der
Frequenzabstand Δfdown entspricht dem Frequenzabfall gegenüber der
Netzfrequenz fNetz, welchen die Motorklemmenspannung
während
der Stromloszeitdauer Δti
erfährt.
Für den üblichen
Fall, daß für K1 und
K2 identische Schütze
verwendet werden, sind sowohl die inhärente Ausschaltverzögerung Δtd als auch die Stromloszeitdauer Δti gleich groß wie im Fall der 3.
Die Vorlaufzeit zwischen dem Zeitpunkt t4,
zu welchem der Umschaltsteuerimpuls erzeugt wird, und dem Zeitpunkt
t6, zu welchem das Schütz K2 vom nicht leitenden in
den leitenden Zustand übergeht,
ist daher gleich groß wie
im Fall der 3.
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Nach
dem Umschalten des Antriebsmotors 26 auf Frequenzumrichterspeisung
wird die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 42 und
damit die Frequenz des Statordrehfeldes des Antriebsmotors abgesenkt,
bei dem in 4 gezeigten Beispiel auf 25
Hz. In dem dann erreichten Leerbetrieb besteht dann eine Fördergeschwindigkeit
der Fördereinrichtung,
die halb so groß ist
wie im Lastbetrieb.
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Man
kann nun den Leerbetrieb aufrechterhalten, bis zu irgendeiner beliebigen
Zeit wieder ein Beförderungsbedarf
signalisiert wird. Man kann aber die Fördereinrichtung auch ganz abschalten,
das heißt,
in den Stillstand, wenn innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer
ab Erreichen des Leerbetriebs kein erneuter Beförderungsbedarf signalisiert
wird.
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In
den 5a und 5b ist
der gesamte Betriebsablauf einer erfindungsgemäß gesteuerten Fördereinrichtung
in Form eines Flussdiagramms dargestellt.
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Zu
Beginn des Flussdiagramms wird davon ausgegangen, daß sich die
Fördereinrichtung
nicht im Lastbetrieb befindet sondern im Stillstand (Ausgangsfrequenz
des Frequenzumrichters ist Null) oder im Leerbetrieb oder Stand-By-Betrieb
(die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters ist größer als
Null). Je nachdem, ob sich die Fördereinrichtung
zum Zeitpunkt der Beförderungsanfrage
im Stillstand oder im Leerbetrieb befindet, zieht das Schütz K1 an
oder bleibt angezogen und beginnt ein Frequenzhochlauf des Frequenzumrichters
von 0 Hz oder von seiner Momentanfrequenz. Mit Hilfe der Synchronisiereinrichtung 44 wird überwacht,
ob sich die Momentanfrequenz des Frequenzumrichters unterhalb oder oberhalb
fNetz-1,5Hz befindet. Wie aus 3 ersichtlich,
wird im ersteren Fall ein Frequenzhochlauf mit höherem Frequenzanstieg und im
letzteren Fall ein Frequenzhochlauf mit niedrigerem Frequenzanstieg gesteuert,
und zwar von der Synchronisiereinrichtung 44. Dieser Frequenzanstieg
wird fortgesetzt, bis die Synchronisiereinrichtung 44 feststellt,
daß die Frequenz
fNetz+Δfup erreicht worden ist. Ist dies der Fall,
wird mittels der Synchronisiereinrichtung 44 überwacht,
ob die vorbestimmte Phasendifferenz zwischen der Netzspannung und
der Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 42, bei welcher
der Umschaltsteuerimpuls abgegeben werden soll, erreicht worden
ist. Durch Abgabe des Umschaltsteuerimpulses SP beim Erreichen der
vorbestimmten Phasendifferenz erhält das Schütz K1 ein AUS-Steuersignal
und das Schütz
K2 ein EIN-Steuersignal. Nach Ablauf einer weiteren Zeitdauer τ1,
welche der Summe der inhärenten
Ausschaltverzögerung Δtd und der Stromloszeitdauer Δti entspricht, geht das Schütz K2 in
den leitenden Zustand über,
beginnt die Speisung des Antriebsmotors 26 aus dem Netz
und ist der Lastbetrieb der Fördereinrichtung
erreicht.
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An
der in 5b oben befindlichen Stelle des
Flussdiagramms wird überwacht,
ob innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer Δt1 seit dem Übergang in den Lastbetrieb
eine erneute Beförderungsanfrage
eingegangen ist. Im letzteren Fall erfolgt mit Hilfe der Synchronisiereinrichtung 44 eine
Absenkung der Frequenz des Frequenzumrichters 42 auf fNetz-Δfdown. Ist diese Absenkung erreicht und stellt
danach die Synchronisiereinrichtung 44 fest, daß eine vorbestimmte
Phasendifferenz zwischen Netzspannung und Frequenzumrichterspannung
erreicht ist, wird ein Umschaltsteuerimpuls abgegeben, was zur Erzeugung
eines AUS-Steuersignals für
K2 und eines EIN-Steuersignals für
K1 führt.
Nach Ablauf einer Zeitdauer τ2 seit Erzeugung des Umschaltsteuerimpulses
geht das Schütz
K1 in den leitenden Zustand über
und beginnt die Speisung des Antriebsmotors 26 aus dem
Frequenzumrichter 42 (Zeitpunkt t6).
Mittels der Synchronisiereinrichtung 44 wird anschließend eine
Frequenzabsenkung des Frequenzumrichters auf die Stand-By-Frequenz
(25 Hz in 4) gesteuert. Geht innerhalb Δt2 eine erneute Beförderungsanfrage ein, kommt
es zu einem erneuten Frequenzhochlauf des Frequenzumrichters, und
zwar von seiner Leerbetriebfrequenz (25 Hz) aus. Geht innerhalb Δt2 eine erneute Beförderungsanfrage nicht ein,
wird überprüft, ob ein
Befehl vorliegt, die Fördereinrichtung
in einem solchen Fall in den Stillstand zu schalten oder nicht.
Gibt es einen solchen Befehl, wird ein AUS-Steuersignal sowohl an
K1 als auch an K2 gegeben, woraufhin beide Schütze K1 und K2 abfallen, das
heißt,
in den nicht leitenden Zustand übergehen,
und der Antriebsmotor 26 keinen Strom mehr erhält.