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Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf eine Einrichtung für
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die Drehzahlregelung eines Drehstrom-Schleifringläufermotors für Hebezeuge,
- mit mehreren Stromphasen zugeordneten Läuferwiderständen, die aus Teilwiderstände
bestehen, einem Drehzahlregler, der eine Solldrehzahl-Vorgabeeinrichtung für verschiedene
Geschwindigkeitsstufen aufweist und in den über einen Istwertbildner der Istwert
der Drehzahl einführbar ist, sowie mit mehreren Schaltern in Sternpunktverbindungen
der Teilwiderstände, wobei die Schalter nach Maßgabe der Differenzen der Soll drehzahl
von der Istdrehzahl in den einzelnen Geschwindigkeitsstufen betätigbar sind. - Ein
Drehstrom-Schleifringläufermotor ist bekanntlich eine Induktionsmaschine, die einen
Schleifringläufer mit den einzelnen Stromphasen zugeordneten Läuferwiderständen
aufweist, die zum Zwecke des Anfahrens oder zur Drehzahlverstellung kurzschließbar
sind.
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Bei der bekannten, gattungsgemäßen Einrichtung (DE-PS 19 06 383) sind
die Schalter zum Kurzschließen der Teilwiderstände Schütze.
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Zum Drehzahlregler gehören ein Frequenzmeßgerät für die Schlupffrequenz
und ein Steuergerät. Die Anordnung ist so getroffen, daß mindestens die einer ersten
Hubstufe und einer ersten Senkstufe zugeordneten Teilwiderstände oder Stufen der
Läuferwiderstände in weitere Teilwiderstände unterteilt sind, denen eine Meßstufe
des Frequenzmeßgerätes zugeordnet ist und die ein- oder ausgeschaltet werden,
wenn
die Läuferfrequenz den jeweiligen Ansprechwert der Meßstufe erreicht. Die Einschaltzeiten
für die einzelnen Teilwiderstände sind unabhängig von der Schwingungsdauer der sinusförmigen
Schlupffrequenz. Darüber hinaus sind die Schaltzeiten selbst verhältnismäßig groß.
Dadurch arbeitet die bekannte Einrichtung, insbesondere in Drehzahlbereichen, die
von der Nenndrehzahl weit entfernt sind, ruckartig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung
mit Halbleiterschaltern auszurüsten, und zwar so, daß der mit der Einrichtung ausgerüstete
Antrieb auch bei kleinen Drehzahlen nicht ruckweise arbeitet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß zumindest einer
der Schalter für einen Hauptarbeitsbereich aus leistungselektronischen Halbleiterschaltern
aufgebaut ist, welche in jeweils zwei Phasen der zugeordneten Sternpunktverbindung
angeordnet und aus mehreren Halbwellenschaltern mit verschiedenen Ansprechspannungen
zusammengesetzt sind, daß der Drehzahlregler eine den Differenzen der Solldrehzahl
von der Istdrehzahl proportionale Ausgangsspannung erzeugt und diese Ausgangsspannung
den Halbwellenschaltern als Steuerspannung zugeführt ist. - Grundsätzlich ist es
bekannt (DIN E40700, Teil 26, April 1981) bei einem Drehstrom-Schleifringläufermotor
mit drei Läuferwiderständen Halbleiterschalter in zwei Phasen einer Sternpunktverbindung
des I,äuferwiderstandes einzusetzen. Für Motormomente nahe Null ist die letzte so
aufgebaute Sternpunktverbindung aufzutrennen. Bei einem rhythmischen Ein- und Ausschalter
der Halbleiterschalter bildet sich ein mittleres Drehmoment, welches z. B. bei einem
Hebezeug
der halben Nennlast eines Hubwerkes entsprechen möge. Die
Stromamplitude ist durch die geschalteten Widerstandswerte sowie die der gewünschten
Drehzahl zugeordnete Läuferspannung festgelegt. Die Taktfrequenz stellt sich frei
nach den Parametern des Regelkreises ein.
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Diese bekannten Maßnahmen sind nicht frei von Nachteilen, weil an
beiden Leitern der Sternpunktverbindung gleichzeitig wie angegeben gearbeitet wird
und nur Vollwellen der Schlupffrequenz geschaltet werden können. Die kleinste Einschaltzeit
ist die der Schwingungsdauer .einer vollen Sinuswelle der Schlupffrequenz. Der kurzzeitige
Momentenstoß im Nennlast-Regelbereich ist immer größer als das Nennmoment.
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Auch hier arbeitet der mit einer solchen Einrichtung ausgerüstete
Antrieb ruckhaft nach Art eines Schrittmotors. Drehzahlen unter 10 % ider Nennedrehzahl
sind kaum zu fahren. Wegen des nach unten begrenzten kleinsten Momentenstoßes ist
die Regelabweichung der kleinen Lasten sehr groß. Die harten Momentenstöße zwischen
Null und vollem Moment bewirken störende Maschinenbeanspruchungen. Hinzu kommt,
daß die Taktfrequenz .nicht beeinflußbar ist. Sie liegt in den meisten Betriebszuständen
üblicher Hebezeuge zwischen 5 und 10 Hz. Sie liegt damit in einem Bereich, in dem
auch die mechanische Eigenfrequenz vieler Kranbrücken anzunehmen ist. Das alles
dürfte der Grund sein, weshalb diese bekannten Maßnahmen zur Weiterbildung der gattungsgemäßen
Einrichtung bisher nichts beigetragen haben und auch die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe nicht lösen könnten.
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Im einzelnen kann die erfindungsgemäße Einrichtung auf verschiedene
Weise weiter ausgebildet werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung
sind die Anordnung und die Auslegung so getroffen, daß die Halbleiterschalter eine
den zugeordneten Teilwiderständen entsprechende Stufenansprechspannung aufweisen,
und daß die übrigen Ansprechspannungen der zum Halbleiterschalter zusammengesetzten
Halbwellenschalter in der Nähe der jweiligen Stufenansprechspannung
eingerichtet
sind. Als Halbwellenschalter können handelsübliche Bauteile der Leistungselektronik
eingesetzt werden. Vorzugsweise sind die Halbwellenschalter als identisch gleiche
elektronische Lastrelais ausgeführt und durch unterschiedliche Vorwiderstände auf
ihre unterschiedlichen Ansprechspannungen eingestellt. Im Rahmen der Erfindung liegt
es, parallel zuden dem Motor am nächsten liegenden Halbleiterschaltern ein Notfunktionsschütz
anzuordnen und dieses bei Störungen des Halbleiterschalters über den Drehzahlregler
oder manuell zu betätigen. Im Rahmen der Erfindung liegt es fernerhin, für größere
Leistungen elektronische Lastrelais als Treibermodule zur Ansteuerung von leistungsstarken
Thyristoren einzusetzen.
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Im allgemeinen wird man bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht
lediglich einen der Schalter in einem Hauptarbeitsbereich der Einrichtung aus Halbleiterschaltern
aufbauen. In der Ausführungsform mit Halbleiterschaltern in mehreren Sternpunktverbindungen
der Teilwiderstände können die Halbleiterschalter einzeln oder gruppenweise schaltbar
und die Gruppen phasenbezogen und/oder widerstandsstufenbezogen schaltbar sein.
Dem Drehzahlregler ist zweckmäßigerweise ein Istwertbildner vorgeschaltet, der den
Istwert aus der Läuferspannung bildet und dem eine stromabhängige Zusatzgröße aufgeschaltet
ist, die meßtechnisch in der allen Sternpunktverbindungen gemeinsamen Läuferphase
erfaßbar ist. Ein anderer Vorschlag der Erfindung geht dahin, über den Istwertbildner
den Istwert aus der Läuferfrequenz zu bilden. Auch hierbei kann eine stromabhängige
Zusatzgröße aufgeschaltet sein. Um die Taktzeit zu beeinflussen, bestehen verschiedene
Möglichkeiten. Insoweit ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß der Drehzahlregler
einen einstellbaren Verstärker
für die Ausgangsspannung aufweist, und die Taktfrequenz der Halbleiterschalter durch
Einstellung der Verstärkung steuerbar ist. Man kann die Taktfrequenz aber auch durch
Vorgabe konstanter Einschaltzeiten steuern.
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Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß ein mit einer erfindungsgemäßen
Einrichtung ausgerüsteter Antrieb für Hebezeuge, auch in kleinen Drehzahlbereichen,
nicht ruckweise arbeitet. Man erreicht einen runden Lauf auch bei niedrigsten Geschwindigkeiten
und auch bei kleinen Drehmomenten für den leeren Haken. Nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung ist die Taktfrequenz beeinflußbar und damit speziellen Einsatzfällen
anpaßbar.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer als Ausführungsbeispiel
auf ein Hubwerk gerichteten Zeichnung ausführlicher erläutert.
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Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 ein Schaltbild einer
erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 das Blockschaltbild des Drehzahlreglers für
den Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes
der Fig. 2 und Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Erfindung.
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Die in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellte Einrichtung ist
für die Drehzahlregelung eines Drehstrom-Schleifringläufermotors 1 für Hebezeuge
bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören neben dem Drehstrom-Schleifringläufermotor
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drei, letzten Endes den drei Stromphasen, u, v, w, zugeordnete
Läuferwiderstände 2, 3, 4, die in unterschiedlichen Hubstufen und Senkstufen zugeordnete
Teilwiderstände a, b, c unterteilt sind, ein Drehzahlregler 5, der eine Solldrehzahl-Vorgabeeinrichtung
6 für die einzelnen Hubstufen bzw. Senkstufen aufweist und in den über einen Istwertbildner
7 der Istwert der Drehzahl einführbar ist. In den Sternpunktverbindungen der Teilwiderstände
liegen die entsprechenden Schalter 8 und 9.
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Die Schalter 8 und 9 sind nach Maßgabe der Differenzen der Solldrehzahl
von der Istdrehzahl in den einzelnen Hubstufen bzw. Senkstufen betätigbar (vgl.
DE-PS 19 06 383). Die Schalter 8 sind Schütze. Im Ausführungsbeispiel und nach bevorzugter
Ausführungsform der Erfindung sind drei der Schalter, nämlich die Schalter 9 als
leistungselektronische Halbleiterschalter ausgeführt. Diese sind aus mehreren Halbwellenschaltern
.1 bis .4 mit verschiedenen Ansprechanspannungen zusammengesetzt und in jeweils
zwei Phasen der Sternpunktverbindungen angeordnet. Die vorgeordneten drei Schalter
8 sind, wie bereits erwähnt, Schütze. Hier könnten grundsätzlich ebenfalls Halbleiterschalter
angeordnet werden. Der Istwertbildner 7 ist bei 10 geschlossen.
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Der Drehzahlregler 5 erzeugt eine Ausgangsspannung UA, die dem Lastmoment
proportional ist. Das Lastmoment ist der Sollwert/Istwert-Differenz proportional.
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Eine entsprechende graphische Darstellung findet man in der Fig. 4.
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Die Ordinate zeigt die Ausgangsspannung UA des Drehzahlreglers 5,
die Abszisse das Drehmoment M. Anordnung und Auslegung sind so
getroffen,
daß der Drehzahlregler 5 seine den Differenzen der Solldrehzahl von der Istdrehzahl
proportionale Ausgangsspannung UA erzeugt und diese Ausgangsspannung UA den Halbleiterschalter
9 als Steuerspannung zugeführt ist. Das geschieht über die in den Fig. 2 und 3 erkennbaren
Ansteuerleitungen 11 und kann gemäß Fig. 3 auch gruppenweise sowie mit Aufschaltung
einer Hilfsspannung über 12 erfolgen. Die drei Halbleiterschalter 9, die im Ausführungsbeispiel
aus jeweils vier Halbwellenschaltern .1 bis .4 zusammengesetzt sein mögen, weisen
eine der zugeordneten Hubstufe bzw. Senkstufe entsprechende Stufenansprechspannung
Usl bis U53 auf, die in Fig. 4 auf der Ordinatenachse für UA fixiert sind. Die übrigen
Ansprechspannungen der zu einem Halbleiterschalter 9 zusammengesetzten Halbwellenschalter
.1 bis .4 sind in der Nähe der jeweiligen Stufenanspre chspannungUsl bis U53 angesiedelt
und jeweils durch .1 bis .4 gekennzeichnet. Nach dem Beschleunigen (M = Mmax 5 M3)
nähert sich die Ausgangsspannung UA des Drehzahlreglers 5 dem Koordinatenursprung
der Fig. 4. Alle Halbwellenschalter 9 mit .1 bis .4 öffnen. Sinkt die Motordrehzahl
unter den Sollwert, so steigt die Ausgangsspannung UA des Drehzahlreglers 5 wieder
an. Bei Usw 1 zündet die erste Halbwelle des zugeordneten Halbleiterschalters 9
und bringt einen kleinen Momentenstoß. Genügt dieser Stoß, um die Solldrehzahl aufrechtzuerhalten,
so pendelt der Ausgang des Drehzahlreglers 5 fortwährend zwischen Usw 1 und Null.
Reicht der Momentenstoß nicht aus, um den Sollwert einzustellen, so wird die Differenz
der Solldrehzahl von der Istdrehzahl zu einer immer höheren Ausgangsspannung des
Drehzahlreglers führen, die immer mehr Halbwellenschalter zündet, bis z. B.
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durch Pendeln zwischen Usw 1 und Usw 4 das mittlere erforderliche
Motormoment ausreicht. Entsprechendes gilt, wenn in den anderen Stufen gearbeitet
wird, für U52 bis U53. Aus Geräuschgründen
und zur weichen Abstimmung
kann es zweckmäßig sein, weitere Halbwellenschalter an weiteren Widerstandsstufen
einzusetzen, die in Abhängigkeit von der Ausgangs spannung des Drehzahlreglers 5
einzeln oder gruppenweise angesteuert werden. Z. B. könnte man mit zwei Halbwellenschaltern
gleichzeitig eine Vollwelle, mit sechs in der Nähe schaltenden Halbwellenschaltern
eine Phase, mit vier gleichzeitig schaltenden Elementen eine Stufe verändern. Parallel
zu einem der Halbleiterschalter 9 liegt in Fig. 1 ein Notfunktionsschütz 8, und
dieses ist bei Störungen des Halbleiterschalters 9 über den Drehzahlregler oder
manuell betätigbar. - Es versteht sich, daß in dem Merkmal, daß einer der Schalter
als leistungselektronische Halbleiterschalter ausgeführt ist, zum Ausdruck kommt,
daß in zwei Phasen der Sternpunktverbindungen jeweils ein Halbleiterschalter angeordnet
ist, der seinerseits aus mehreren Halbwellenschaltern aufgebaut ist.
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