DE3447805A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen der steuerspannung eines gleichstrommotors fuer aufzuege - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen der Steuerspannung eines Gleichstrommotors für Aufzüge

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen der Steuerspannung eines Gleichstrommotors für Aufzüge mit Hilfe von Halbleiterschaltern. Dabei wird der Gleichstrommotor von Halbleiterschaltern in vier Quadranten mit Hilfe eines Energiespeichers konstanter Spannung und einer zugehörigen, an ein Wechselstromnetz angeschlossenen Ladeeinrichtung gesteuert.

Im Vergleich zu einem Wechselstrommotor bietet ein Gleichstrommotor qualitativ bessere Eigenschaften in der Aufzugstechnik. Unter Qualität ist hier die Freiheit von Schwingungen und eine exakte Geschwindigkeitssteuerung zu verstehen. Aus diesem Grund sind zahnradlose Eilaufzüge praktisch ausschließlich mit Gleichstrommotoren versehen. In der Eilauf zugstechnik verwendet man zur Steuerung des Gleichstrommotors eine Vierquadranten-Thyristorbrücke, die, was neu ist, die herkömmliche Ward-Leonard-Technik ersetzt. Die neue Technik ist beispielsweise wegen ihres hohen Wirkungsgrades vorteilhaft. Sie hat jedoch den Nachteil, daß der Leistungsfaktor gering und die Anlaufströme hoch sind und daß oberharmonische Schwingungen in das Netz eintreten. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß bei einem Versagen der Netzspannung die Sicherungen durchgehen und dadurch Personen im Aufzug zwischen Stockwerken steckenbleiben.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, * eine durch Gleichrichten erzeugte Gleichspannung einem Energiespeicher zuzuführen, der die Energie zum Betrieb eines Gleichstrommotors abgibt, wobei das Steuersignal für den Gleichstrommotor durch Impulsbreitenmodulation aus der konstanten oder einer Zwischenspannung des Energiespeichers gebildet wird. Dies hat gewisse Vorteile:

* (siehe DE-Patentanmeldung P 34 29 722.7 und FI-Patentanmeldung 833302)

- Die nötige Netzleistungsziffer ist gering, da auch bei stillstehendem Aufzug Energie in den Speicher fließt. Da aber dieser Ladestrom des Speichers verhältnismäßig gering ist, bedeuten der Leistungsfaktor und die oberharmonischen Schwingungen keine Schwierigkeiten mehr.

- Der Anlaufstrom belastet das Netz nicht, denn das Netz liefert der Anlage nur den gleichmäßigen Ladestrom zur Energiespeicherung .

- Dem Aufzug steht immer Reserveenergie zur Verfügung (nämlieh der Energiespeicher), so daß ein Versagen des Netzes nicht zum Durchgehen von Sicherungen führen kann und keine Personen im Aufzug gefangengehalten werden können.

Die beste bekannte Energiespeichereinrichtung für konstante Spannung ist der Akkumulator. Akkumulatoren können beispielsweise durch ein Schwungrad ersetzt werden, welches sich durch eine höhere momentane Energiefreigabe und Aufnahmekapazität als der Akkumulator auszeichnet und weniger Wartung erfordert.

Die Impulsmodulationsschaltungen in Vorrichtungen dieser Art werden meistens durch die bekannte, sogenannte McMurray-Thyristorschaltung verwirklicht. Mit der McMurray-Schaltung können nützliche Impulsmodulationssysteme ohne Notwendigkeit für besondere Bauelemente verwirklicht werden.

Allerdings haben Schaltungen dieser Art drei bedeutende Nachteile:

1.) Es gibt keine geeignete Rauschunterdrückungstechnik, die im Zusammenhang mit einem Aufzug nachweisbar funktioniert.

2.) Es steht keine Wechselspannung zur Verfügung, die am Steuerpult nötig ist.
3.) Die gesamte Motorleistung geht durch einen Thyristor, so daß sehr große Thyristoren benötigt werden, die teuer sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile bei einem Gleichstrommotor für einen Eilaufzug zu vermeiden.

Zur LüMuruj dar dor Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe sieht das Verfahren zur Erzeugung der Steuerspannung des Gleichstrommotors im wesentlichen vor, daß mit Hilfe einer an sich bekannten Inverterschaltung von der Spannung des Energiespeichers eine dreiphasige Netzspannung von konstanter Frequenz erzeugt wird, die einen an sich bekannten Gleichstromantrieb der netzumgepolten Art mit vier Quadranten versorgt und den Motor des Aufzugs steuert. Die Einrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, weist Halbleiterschalter auf, die die Steuerspannung für den Gleichstrommotor des Aufzugs bilden, sowie einen Energiespeicher konstanter Spannung und die dazugehörige Ladevorrichtung, welche am Wechselstromnetz liegt. Diese Einrichtung zeichnet sich hauptsächlich dadurch aus, daß die Spannung des Energies.peich.ers an eine an sich bekannte Inverterschaltung oder Wechselrichterschaltung gelegt wird, um'eine dreiphasige Netzspannung konstanter Frequenz zu erzeugen, die einem an sich bekannten Gleichstromantrieb mit Netzumpolung und vier Quadranten zugeführt wird, um den Aufzugsmotor zu steuern.

Mit der Erfindung werden die folgenden wichtigsten Vorteile erzielt:

- Bei der Konstruktion gemäß der Erfindung wird die Energie zwischen verschiedenen Thyristoren geteilt, so daß, da die Größe der Thyristoren immer begrenzt ist, entsprechend grössere Energiemengen'gehandhabt werden können.

- Da ein dreiphasiges inneres Wechselstromnetz der Vorrichtung zur Verfügung steht, welches der Akkumulator erzeugt, steht für alle diejenigen elektrischen Teile des Aufzugs, die mit Wechselstrom arbeiten, ihre eigene Versorgung zur Verfügung, selbst wenn die Stromzufuhr von außen unterbrochen wird. Zu den fraglichen Teilen gehören beispielsweise Transformatoren, Drosseln und Kontaktgeber.

- Die Frequenz des Innennetzes der Vorrichtung kann erhöht werden, so daß sie höher ist als die des Außennetzes. Das hat zur Folge, daß die Drosseln und Kondensatoren in den Rauschunterdrückungsfiltern kleiner und billiger sein können.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Beispiel einer Schaltung zum Steuern eines Gleichstrommotors mit dem Verfahren gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Vektordiagramm, welches das Verständnis der Spannungsdiagramme der Inverterschaltung gemäß der Erfindung erleichtern soll;

Fig. 3 den Verlauf der Phasenspannungen und Deltaspannungen des Innennetzes der Vorrichtung;

Fig. 4a-4f Spannungsverläufe zur Erläuterung des Betriebs eines Gleichstromantriebs, wenn diesem gemäß der Erfindung dreiphasige Rechteckwellen-Netzspannung zugeführt wird;

Fig. 5a-5c entsprechende Spannungsverläufe für einen mit sinuswellenförmiger Netzspannung arbeitenden Sechsimpuls-Gleichrichter .

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll anhand von Fig. 1 näher erläutert werden. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist an das Netz eine Ladevorrichtung 1 angeschlossen, mittels der bei Bedarf Energie in einem Energiespeicher 2 gespeichert werden kann. Der Netzanschluß ist durch die Spannung U dargestellt, bei der es sich um eine einphasige Spannung handeln kann, weil der Antrieb gemäß der Erfindung wegen der Ausgleichswirkung des Energiespeichers 2 nur ziemlich wenig Energie abzieht. Die Ladevorrichtung kann auf herkömmliche Weise ein- und abgeschaltet werden, was hier nicht näher erläutert ist.

Im oberen Teil von Fig. 1 ist eine dreiphasige Inverterschaltung 3 gezeigt, bei der einem Wechselstrommotor Strom vom Energiespeicher 2 über Halbleiterschalter in Form von Thyristoren T1-T6 zugeführt wird. Die Halbleiterschalter werden normalerweise, wie Fig. 1 zeigt, von Dioden D1-D6 umgan-

gen, die den in Richtung zum Energiespeicher fließenden Strom zuführen und gleichrichten.

Die Thyristoren T1-T6 und die Dioden D1-D6 sind die Hauptbauelemente der Inverterschaltung 3. Tatsächlich enthält die Inverterschaltung häufig weitere Teile, die zum Umpolen der Thyristoren nötig sind, wenn diese nicht von der sogenannten GTO-Art sind. Bei der in Fig. 1 gezeigten Thyristorschaltung mit Zwangsumpolung erfolgt das Abschalten der Thyristoren T1-T6 mit Hilfe einer Resonanzschaltung, die einen Kondensator und eine Drossel aufweist. Da dem Fachmann die Zwangsumpolschaltung bekannt ist, wird der Betrieb der Inverterschaltung hier nicht näher erläutert. Die von der Inverterschaltung 3 erzeugte dreiphasige Speisespannung ist in der Zeichnung mit V1, V2 und V3 bezeichnet.

15Im unteren Teil von Fig. 1 ist ein netzumgepolter Vierquadranten-Gleichstromantrieb 4 gezeigt, der mit Rauschunterdrückung versehen ist. Der Gleichstromantrieb 4 schließt Thyristoren T7-T18 ein. Mit diesen Thyristoren wird der Wechselstromantrieb weiter gesteuert. Der Gleichstromantrieb 4 versorgt einen Aufzugsmotor 5, der ein auf der Motorwelle angebrachtes Zugrad aufweist und eine Aufzugskabine 6 und eine Gegengewichtsanordnung 7, 8, 9 mit Hilfe von Hubseilen 10 in Bewegung setzt. Der Gleichstromantrieb 4 ist mit einer Rauschunterdrückung versehen, die einen Kondensator C1 und eine Drossel L4 aufweist. Zur Rauschunterdrückung tragen auch Kommutatordrosseln L1-L3 bei. Die Rauschunterdrückungstechnik, um die es hier geht, ist im einzelnen in der finnischen Patentschrift 61252 offenbart.

Da der Gleichstromantrieb allgemeinbekannte Technik wiedergibt, ist er nicht im einzelnen dargestellt. Stattdessen wird das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung näher erläutert. Fi,g. 3 zeigt im oberen Teil die mit der Inverterschaltung 3 erzeugte dreiphasige Spannung V1, V2 und V3. Anhand dieser Phasenspannungen können die Deltaspannungen

(Phase-zu-Phase) U1, U2 und U3 durch einfache Vektoralgebra unter Anwendung folgender Gleichungen berechnet werden:

U1 = V1 - V2

U2 = V3 - V1

Ü3 = V2 - V3

Die im unteren Teil in Fig. 3 gezeigten Phasenspannungen sind auf diese Weise abgeleitet worden. Da die Speisespannung nicht sinuswellenförmig ist, was meistens der Fall ist, sondern stattdessen eine sogenannte sechsstufige Spannung, unterscheidet sich der Betrieb des Gleichstromantriebs 4 von dem Stand der Technik. Die beim Gleichrichten entstehenden Spannungen sind in den Fig. 4a-4f gezeigt. Je nach dem Ort des Zündwinkels entsteht eine Gleichrichtsituation oder eine Wechselsituation. In Fig. 4a sind die Deltaspannungen U1 , U2 und U3 in einem Koordinatensystem zusammengefaßt. Fig. 4b-4d zeigen Gleichrichtspannungen verschiedener Größe je nach dem Zündzeitpunkt der Thyristoren T1-T3, und Fig. 4e und 4f zeigen Wechselspannungen unterschiedlicher Größe je nach dem Zündzeitpunkt der Thyristoren T4 und T5.

Es zeigt sich, daß der Spannungsverlauf gemäß Fig. 4 sich deutlich von den üblicherweise von einem sinuswellenförmigen Netz gelieferten Spannungsverläufen unterscheidet, was ein Vergleich zwischen Fig. 4 und 5 unterstreicht. In Fig. 5 sind ähnlich wie bei Fig. 2 und 3 die Spannungsverläufe

eines Thyristorgleichrichters gezeigt, der von einem sinuswellenförmigen Netz umgepolt wird. Aus den in Fig. 5a gezeigten Phasenspannungen RST sind die Deltaspannungen gemäß Fig. 5b abgeleitet worden und hieraus wiederum bei gegebenem Zündwinkel die Spannung am Motor, die gemäß Fig. 5c vom Spannungsverlauf eines mit sinuswellenförmiger Netzversorgung arbeitenden Sechsimpuls-Gleichrichters bei gegebenem Zündwinkel abgeleitet ist. Die Spannung gemäß Fig. 5c läßt sich mit der Spannung gemäß Fig. 4d vergleichen, die für den Fall der Erfindung eine etwa ebenso verlaufende gleichgerich-

tete Spannung zeigt. Es liegt auf dor Hand, daß der Spannungsverlauf tatsächlich ziemlich unterschiedlich ist.

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Claims (3)

1. Zipse&Habersack Patentanwälte

   Kemnatenstraße 49, D-8000 München 19 beim Europäischen Patentamt

   Telefon (089) 17 0186, Telex (07) 81 307 zugelassene Vertreter

   Elevator GmbH 30.12.1983

   CH - 6340 Baar KN 08

   Patentansprüche

   M.J Verfahren zum Erzeugen der Steuerspannung eines Gleichstrommotors für Aufzüge, bei dem der Gleichstrommotor mit Halbleiterschaltern in vier Quadranten mit Hilfe eines Energiespeichers konstanter Spannung und der zugehörigen Ladevorrichtung, die an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, gesteuert wird,

   dadurch gekennzeichnet , daß aus der Spannung des Energiespeichers (2) mittels einer Inverterschaltung (3) eine dreiphasige Netzspannung (V1, V2, V3) konstanter Freguenz gebildet wird, die einem Gleichstromantrieb (4) mit vier Quadranten und Netzumpolung zugeführt wird, der einen Aufzugsmotor (5) steuert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet , daß die mit der Inverterschaltung (3) gebildete Netzspannung (V1, V2, V3) eine Rechteckwellen-Spannung ist.
3. 3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit Halbleiterschaltern, die die Steuerspannung eines Aufzugsmotors bilden, und einem Energiespeicher konstanter Spannung mit zugehöriger Ladevorrichtung, die an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Energiespeichers an eine an sich bekannte Inverterschaltung (3) angelegt ist, die eine dreiphasige Netzspannung (V1, V2, V3) konstanter Frequenz erzeugt, welche einem an sich bekannten Gleichstromantrieb (4) mit vier Quadranten und Netzumpolung zuführbar ist, der einen Aufzugsmotor (5) steuert.