DE3806410A1 - Verfahren zur verbesserung des anfahrverhaltens einer foerderanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf drehzahlgeregelte Antriebe in der Förder­ technik, insbesondere für Aufzüge mit einem Drehstromkurzschlußläufer­ motor und einem Drehzahlregler nach dem Prinzip des Phasenanschnitts.

Der drehzahlgeregelte Aufzugantrieb mit dem herkömmlichen polumschalt­ baren Aufzugmotor hat sich in Europa durchgesetzt, weil bisher nur ein Teil der Aufzüge geregelt wird und der Aufzughersteller für geregelte oder ungeregelte Aufzüge die gleiche Winde, den gleichen Motor sowie im Prinzip die gleiche Aufzugsteuerung verwenden kann und auch die spätere Nachrüstung des Drehzahlreglers möglich ist.

Bei diesem Regelverfahren wird die niederpolige Wicklung (vorzugsweise 4polig) des Motors ausschließlich zum Treiben benutzt und das Drehmoment durch Phasenanschnitt dosiert, während in die hochpolige Wicklung (vorzugsweise 16polige) bei Bedarf Gleichstrom eingespeist wird, um ein Bremsmoment zu erzeugen.

Das Bremsmoment wird üblicherweise dosiert durch Phasenanschnitt einer halbgesteuerten Gleichrichtbrücke

Dieses Regelprinzip ist bereits in der Patentanmeldung P 14 88 397 beschrieben worden, wobei die beiden Phasenanschnittsteuerungen durch getrennte Regler gesteuert wurden. Um dieses System dynamisch stabil zu bekommen, mußte eine Motorsonderausführung ohne Kippmomente verwendet werden.

Wenn aber schon der handelsübliche Aufzugmotor nicht verwendet werden konnte, war es für den Anwender sinnvoller, den im allgemeinen Maschinen­ bau bewährten regelbaren Gleichstromantrieb zu verwenden.

Maßnahmen, um einen stabilen Regelbetrieb mit dem handelsüblichen Aufzug­ motor zu ermöglichen, sind in der Patentanmeldung P 23 40 930 beschrieben. Danach werden Maßnahmen zur gegenseitigen Beeinflussung der beiden Regel­ systeme für Treiben und Bremsen vorgeschlagen mit dem Ergebnis, daß jeder­ zeit ein zügiger Übergang von Drehmoment zu Bremsmoment und umgekehrt möglich ist.

Dieses Verfahren ist aber für den praktischen Einsatz bei kleinen und mittleren Aufzugherstellern nicht anwendbar, weil dabei eine individuelle Anpassung des Regelsystems an den jeweiligen Aufzug erforderlich ist.

Erst in der Patentanmeldung P 24 55 843 ist ein einziger Regelverstärker mit hoher Verstärkung vorgesehen, der gleichzeitig die Phasenanschnittsteuer­ ungen für Treiben und Bremsen beeinflußt. Durch ein geeignetes Rückführungs­ netzwerk an dem Regelverstärker wird dabei das dynamische Verhalten bereits beim Hersteller vorgegeben, so daß am jeweiligen Aufzug nur noch Endgeschwin­ digkeit, Beschleunigung und Verzögerung eingestellt werden müssen.

Dieser Aufzugantrieb hatt sich in Europa schnell durchgesetzt, weil er ohne technisches Spezialwissen eingesetzt werden konnte, billiger war, als Gleich­ stromantriebe und ein praktisch gleichwertiges Fachverhalten ermöglichte.

Während in den 70er Jahren die Regelung eingesetzt wurde, um den Fachkomfort und die Haltegenauigkeit zu verbessern, sind heute die Senkung der Strom­ kosten und die Verringerung des Spitzenstromes beim Anfahren ebenso wichtige Argumente für die Regelung.

Das ist möglich, weil beim ungeregelten Aufzug Schwungmassen vorgesehen sind, die verhindern, daß die großen Drehmomentänderungen beim Einschalten bzw. bei der Polumschaltung des Motors zu einem zu starken Ruck führen.

Im geregelten Betrieb folgen Geschwindigkeit und Beschleunigung den im Soll­ wertprogramm vorgegebenen Werten, so daß keine Zusatzschwingmassen erforder­ lich sind. Somit wird die Energie für die Beschleunigung bzw. Verzögerung der Zusatzschwingmassen gespart.

In der Weiterentwicklung der Regler wurden die Sollwertgeber für den Ver­ zögerungsverlauf verbessert. Unter anderem beschreibt die Patentanmeldung P 30 21 501 Mittel, durch die es möglich ist, die Haltestelle auf dem verfügbaren Ver­ zögerungsweg auch dann zügig und genau anzufahren, wenn der Motor vorüber­ gehend das notwendige Drehmoment oder Bremsmoment oder die Endgeschwindig­ keit, die zum Befolgen des Sollwertes nötig sind, nicht erreicht.

Auf Grund dieser Weiterentwicklungen war es möglich, kleinere Motoren zu verwenden. Auch die Getriebe konnten verkleinert werden, weil die maximal zu übertragenen Momente kleiner geworden sind.

Die kleineren Motoren und die kleineren Getriebe führten zu einer weiteren Verringerung des Anlagenschwingmomentes und somit zu weiterer Spitzenstrom- bzw. Energieeinsparung.

Das niedrige Anlagenschwingmoment sowie der verbesserte Getriebewirkungs­ grad schufen aber ein neues Problem: das ruckfreie Anfahren.

Nach dem Stand der Technik solcher Regelantriebe besteht der Drehzahlregler aus einem Sollwertgeber S 1, einem Tachogenerator als Istwertgeber i, die auf einen Operationsverstärker OP 1 mit Rückführung einwirken, an dessen Ausgang direkt die Phasenanschnittsteuerung für Treiben und über einen Umkehrver­ stärker die Phasenanschnittsteuerung für Bremsen angeschlossen sind, s. Fig. 1. Die Rückführung gibt dem Regler P-I-Verhalten.

Üblich sind eine Proportionalverstärkung von 10, d. h. 10% Regelabweichung sind nötig um unverzögert 100% Drehmomentänderung zu erzielen. Die Integrations­ zeitkonstante liegt meist in der Größenordnung 0,3 bis 0,5 s.

Zur individuellen dynamischen Anpassung können der Widerstand R als Potentiometer ausgeführt sein oder ein zweites R-C-Glied vorgesehen sein mit einem ver­ änderbaren Widerstand. Durch diese Maßnahmen wird üblicherweise die P-Ver­ stärkung reduziert, wenn Schwingungen im System auftreten.

Der Regler kann nicht schneller gemacht werden, weil das System Seilaufzug oberhalb von 5 Hz eine Reihe von Eigenresonanzen hat.

Solange der Aufzug genügend Schwungmomente hatte und die Reibungen im System groß genug waren, war das Anfahrverhalten mit dem relativ langsamen Regler befriedigend.

Das Anfahrverhalten beim modernen Aufzug wird durch folgende Eigenschaften beeinflußt: Die Kabine wird meist über Kunststofführungsschuhe an Schienen geführt. Gegen Abrieb ist eine Öl-Schmierung vorgesehen. Im Stillstand kleben die Führungsschuhe ähnlich Saugnäpfen an den Schienen. Zum Anfahren ist des­ wegen eine erhebliche Kraft erforderlich, die nach dem Losreißen plötzlich aufhört. Eine weitere Unstetigkeit im Drehmoment ruft der Übergang von der Haftreibung zur Gleitreibung im Schneckengetriebe hervor. Die Unstetigkeiten im Drehmoment verursachen mit der Kabinenmasse und der Federwirkung der Seile beim Anfahren eine gedämpfte Schwingung in der Kabine, deren erste Amplitude vom Fahrgast als Ruck empfunden wird.

Weiterhin ergeben sich unterschiedliche Anfahrbedingungen aus veränderlicher Last in der Kabine, der Fahrtrichtung sowie der Aufzuggeschwindigkeit. Von der Mechanik her ergibt sich unterschiedliches Verhalten aus dem Getriebeüber­ setzungsverhältnis, Seilführung. Seillänge und vor allem von der Aufzuggröße.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Regler so auszugestalten, daß er trotz dieser unterschiedlichen Einflüsse ohne individuelle Anpassung bei der Inbetriebnahme ein ruckfreies Anfahren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anfahrvorgang in zwei Stufen erfolgt. In der ersten Stufe beschleunigt der Aufzug auf eine sehr kleine Geschwindigkeit V 1, die unterhalb des Überganges Haftung-Reibung liegt. Dabei kann der Regler ein Drehmoment am Motor aufbauen, das der jeweiligen Last und Fahrtrichtung entspricht ohne durch die Unstetigkeit der Reibungs­ kräfte gestört zu werden.

In der zweiten Stufe erfolgt erfindungsgemäß die weitere Beschleunigung dergestalt, daß die Geschwindigkeit, bei der der Übergang Haftung-Reibung erfolgt, mit sehr kleiner Beschleunigungsvorgabe durchfahren wird.

Damit wird erfindungsgemäß erreicht, daß die diversen Komponenten des Systems, deren Übergangsgeschwindigkeiten von der Haftung zur Reibung differieren, nach­ einander die Unstetigkeitsschwelle durchlaufen, so daß die freiwerdenden Über­ schußkräfte zeitlich nacheinander zur Beschleunigung beitragen.

Bei dieser Maßnahme braucht der Regler in der zweiten Stufe keine schnellen Drehmomentänderungen vornehmen.

Allerdings ist der langsame Regler in der ersten Stufe nicht in der Lage, sich schnell genug auf das erforderliche Drehmoment einzustellen.

Deswegen wird erfindungsgemäß neben dem Regelverstärker OP 1 ein zweiter Regel­ verstärker OP 2 vorgesehen, der einen eigenen Sollwertgeber S 2 hat und eine höhere Proportionalverstärkung und eine kürzere Integrationszeit.

Der Sollwertgeber S 2 läuft nach dem Startkommando schnell auf einen Wert, der der Geschwindigkeit V 1 entspricht. Mit diesem 2. Regelverstärker ist das System dynamisch nicht stabil, deswegen wird erfindungsgemäß OP 2 unwirksam, bevor die dämpfende Wirkung der Haftungskräfte aufhört, d. h. sobald die Ge­ schwindigkeit V 1 überschritten wird.

Die weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens enthält die Maßnahmen, wie eine plötzliche Drehmomentänderung hervorgerufen durch Abschalten von OP 2 vermieden wird.

Erfindungsgemäß hat dazu der Verstärker OP 1 bei Abschaltung von OP 2 erstens eine Ausgangsspannung, die dem Drehmoment zu diesem Zeitpunkt entspricht, zweitens ist der Kondensator C 1 annähernd auf diese Spannung aufgeladen und drittens besteht wenn überhaupt, nur eine kleine Regelabweichung zwischen S und i. Die Kombination dieser 3 Bedingungen stellt sich sicher, daß V 1 seine Ausgangs­ spannung und damit das Drehmoment nicht ändert.

Fig. 2 beschreibt eine Möglichkeit, diese Bedingungen zu erfüllen. Der Sollwertgeber S 1 erzeugt einen Sollwert, der bei Fahrtbeginn der Ge­ schwindigkeit V 1 entspricht. Wenn die Geschwindigkeit V 1 erreicht ist, gibt er zunächst eine geringe Beschleunigung vor, die dann allmählich bis zur einge­ stellten Maximalbeschleunigung steigt. Infolge der niedrigen Proportionalver­ stärkung und der langen Integrationszeit von OP 1, hat S 1 bei Fahrtbeginn nur einen geringen Einfluß auf OP 1. Der schnelle Verstärker OP 2 ist mit R 4 so niederohmig an OP 1 angekoppelt, daß er allein auf Grund der Proportionalver­ stärkung von OP 1 unverzögert eine Änderung der Ausgangsspannung und damit eine Drehmomentanpassung hervorrufen kann. R 3 besorgt die Ladung von C 1. Ist die Geschwindigkeit V 1 erreicht und C 1 auf die Ausgangsspannung von OP 1 aufgeladen, geht die Ausgangsspannung von OP 2 auf Null zurück. In diesem Augen­ blick kann OP 2 abgeschaltet werden, ohne daß sich der Ausgang von OP 1 ändert und ein Drehmomentsprung entsteht.

Gleichzeitig mit dem Abschalten von OP 2 wird im Sollwertgeber S 1 die erste niedrige Beschleunigung vorgegeben, die den Betrieb in den Übergangsbereich führt, wobei dann die Kraftdifferenz zwischen Haftung und Reibung der mechanischen Komponenten nacheinander zur Beschleunigung zur Verfügung steht, ohne daß der Ausgang von OP 1 schnelle Spannungsänderungen am Motor vorgeben muß. Den Beschleunigungsanstieg zu Fahrbeginn empfindet der Fahrgast in einem weiten Bereich als "sanft", solange sie stetig erfolgt. Eine unstetige Be­ schleunigung könnte auftreten, wenn die Kraftdifferenz im Übergangsbereich zu einer größeren Beschleunigung führt, als vom Sollwertgeber vorgegeben.

In diesem Fall würde der Regler das Drehmoment zurücknehmen, um die Drehzahl auf den Sollwert zu reduzieren und weil er integral arbeitet, dabei vorüber­ gehend unterschreiten.

Während in diesem Falle die zügigere Beschleunigung nicht als unangenehm empfunden wird, sondern der Beschleunigungsabbruch durch den Regler, wird in einer Ergänzung der Erfindung vorgesehen, daß während des Beschleunigungsvor­ ganges im Falle, daß der Istwert größer wird als der Sollwert, der Sollwert auf den Istwert praktisch unverzögert nachgeführt wird.

Claims (1)

1. Die vorliegende Patentanmeldung enthält insgesamt 7 Patentan­ sprüche, nämlich den Hauptanspruch gem. der folgenden Ziffer I) und den Unteransprüchen gem. den folgenden Ziffern II) - VII):

   • 1. Verfahren zum ruckfreien Anfahren einer Förderanlage z. B. eines Aufzuges mit einem ständergesteuerten Drehstrommotor und einem Drehzahlregler nach dem Prinzip des Phasenanschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl bei Fahrtbeginn von Null aus zunächst auf eine sehr kleine Drehzahl geführt wird, die kurz unterhalb der Übergangsgeschwindigkeit von der Haftreibung zur Gleitreibung des angetriebenen mechanischen Systems liegt und von da aus so langsam zu höheren Drehzahlen geführt wird, daß die verschiedenen mechanischen Komponenten nacheinander die Über­ gangsgeschwindigkeit erreichen und erst zügig weiterbeschleunigt wird, wenn alle mechanischen Komponenten in die Gleitreibung übergegangen sind.
   • 2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Be­ reich der Übergangsgeschwindigkeit die Motorspannung nahezu konstant gehalten wird und die Beschleunigung im wesentlichen aus dem Kraftüberschuß beim Übergang der mechanischen Komponen­ ten von der Haftreibung zur Gleitreibung herrührt.
   • 3. Verfahren nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß, falls der Kraftüberschuß so groß ist, daß die Geschwindigkeit bei annähernd konstanter Motorspannung schneller steigt, als die Sollwertvorgabe, die Sollwertvorgabe praktisch unverzögert auf den Istwert nachgeführt wird.
   • 4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß im Regler ein erster relativ langsamer Regelverstärker mit PI- Verhalten vorgesehen ist, dessen Ausgang über Phasenanschnitt­ steuerungen die Spannung am Motor dosiert und daß an dem Eingang des 1. Regelverstärkers der Ausgang eines zweiten schnel­ leren Regelverstärkers mit eigenem Sol-Istwertvergleich so ange­ schlossen ist, daß der zweite Regelvertärker allein über die P-Verstärkung des ersten Regelverstärkers diesen unverzögert voll aussteuern kann.
   • 5. Verfahren nach Anspruch IV, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber des zweiten Regelverstärkers fest auf eine Ge­ schwindigkeit kurz unterhalb des Übergangsbereiches Haftung- Reibung eingestellt ist.
   • 6. Verfahren nach Anspruch IV oder V, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelverstärker unwirksam wird, wenn die Soll­ geschwindigkeit nach Anspruch IV erreicht ist und der Aus­ gang des zweiten Regelverstärkers nahezu Null ist.
   • 7. Verfahren nach Anspruch IV, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Regelverstärkers über einen ersten Widerstand direkt auf den Eingang des ersten Regelverstärkers einwirkt und über einen zweiten Widerstand den Integrations­ kondensator des ersten Regelverstärkers auflädt.