DE3921679C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines verfahrbaren, versorgungsnetzabhängigen Verbrauchers gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Vorrichtungen dieser Art dienen beispielsweise bei schienen­ gebundenen Kränen dazu, die Versorgungsleitung entsprechend dem Verfahrweg des Verbrauchers (Krans) nachzuführen, wobei die Versorgungsleitung je nach Fahrtrichtung auf einer Lei­ tungstrommel auf- bzw. abgewickelt wird. Die Leitungstrommel kann dabei entweder dem Verbraucher zugeordnet sein, so daß die Versorgungsleitung beim Abwickeln beispielsweise in einen Kabelkanal gelegt wird oder aber der ortsfesten Anschlußstelle zugeordnet sein. Versorgungsleitung im Sinne der Erfindung kann beispielsweise ein elektrisches Kabel, eine pneumatische oder hydraulische Schlauchleitung, eine Kombination davon oder eine beliebige andere Energiezufüh­ rungsleitung sein. Es spielt hierbei keine Rolle, ob der Verbraucher, wie beispielsweise bei einem Kran oder Bagger, in horizontaler Richtung verfahrbar oder aber, wie beispiels­ weise bei einer Hubbühne, in vertikaler Richtung oder in einer Drehrichtung bewegbar ist.

Problematisch bei all den vorgenannten Einsatzzwecken ist es, die Versorgungsleitung unter einer konstanten Zugspan­ nung zu halten, so daß einerseits ein sicheres Auf- und Abwickeln der Versorgungsleitung auf die Leitungstrommel bzw. von der Leitungstrommel gewährleistet und andererseits die zulässige Zugspannung innerhalb der Versorgungsleitung nicht überschritten wird.

Üblicherweise sorgt ein über ein Getriebe mit der Leitungs­ trommel antriebsverbundener Elektromotor für das Auf- und Abwickeln der Versorgungsleitung auf die bzw. von der Lei­ tungstrommel. In der DE-OS 33 10 311 sind auf den Seiten 4 und 5 einige bekannte Vorrichtungen dieser Art beschrie­ ben, die hinsichtlich der Motorauslegung jedoch den Nachteil haben, daß entweder eine hohe Verlustwärme innerhalb des Motors auftritt oder aber übermäßig groß dimensionierte und damit teure Elektromotoren benötigt werden.

Bei der in der DE-OS 33 10 311 beschriebenen Antriebsanord­ nung für eine Leitungstrommel wird ein Kurzschlußläufermotor über einen Frequenzumformer bzw. einen Stromrichter dreh­ zahlgesteuert, wobei der Verfahrweg des Verbrauchers durch Messen ermittelt und entsprechend die Drehzahl des Leitungs­ trommelmotors nachgeregelt wird.

Die dort beschriebene technische Lösung arbeitet bei einer Vielzahl der möglichen Anwendungen zufriedenstellend, hat jedoch den Nachteil, daß bei großen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Verbrauchers, insbesondere bei großen Leitungstrommelmassen, die Einhaltung einer vorgegebenen Zugspannungstoleranz in der Versorgungsleitung nicht immer mit Sicherheit zu gewährleisten ist. Ungenauigkeiten in der Erfassung des Verfahrwegs des Verbrauchers, die bei­ spielsweise durch Schlupf zwischen Rad und Schiene auftreten können, beeinträchtigen die Zugspannung in der Versorgungs­ leitung in erheblichem Maße, wenn die Drehzahl des Leitungs­ trommelmotors ausschließlich anhand des gemessenen Verfahr­ wegs nachgeregelt wird. Des weiteren können an der Versor­ gungsleitung anhaftende Verunreinigungen bzw. Dehnungen der Versorgungsleitung zu erheblichen Abweichungen zwischen der Wegmessung und der tatsächlichen Länge der abgewickelten Versorgungsleitung führen, wodurch die Einhaltung einer vorgegebenen Zugspannungstoleranz nicht mehr gewährleistet ist. Des weiteren hat die in der DE-OS 33 10 311 beschriebene Antriebsanordnung den Nachteil, daß die Erstinbetriebnahme wegen der noch nicht endgültig exakt ermittelten Parameter diffizil und zeitaufwendig ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine auch bei großen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Verbrauchers, insbesondere auch bei großer Leitungstrom­ melmasse, die Einhaltung einer vorgegebenen Zugspannungsto­ leranz in der Versorgungsleitung zuverlässig unter Vermei­ dung der vorgenannten Nachteile zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Momentenregelung des Antriebsmotors vor, die dafür sorgt, daß die Zugkraft auf die Versorgungsleitung sowohl beim Auf- als auch beim Ab­ wickeln konstant gehalten wird. Das jeweils erforderliche Drehmoment, das einerseits so ausgelegt sein muß, daß die Versorgungsleitung auch bei großen Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen des Verbrauchers genügend schnell nachge­ führt bzw. wieder aufgewickelt wird und andererseits die zulässige Leitungsspannung nicht überschritten wird, ist abhängig vom Wickelradius der Leitungstrommel, da bei großem Wickelradius ein größeres Drehmoment als bei kleinem Wickel­ radius zur Gewährleistung einer konstanten Versorgungslei­ tungsspannung erforderlich ist. Das bedeutet, daß der jewei­ lige Momentenbedarf an der Welle der Leitungstrommel, der durch den Antriebsmotor, ggf. über ein Getriebe, aufzubrin­ gen ist, ständig wechselt und somit für eine Momentenrege­ lung ermittelt werden muß. Gemäß der Erfindung geschieht dies durch eine Meßvorrichtung am Rotor des Motors, die den Rotorwinkel und somit die Leitungstrommelstellung erfaßt. Durch die Rotorwinkelmessung wird nicht nur die jeweilige Leitungstrommelstellung, sondern auch die Wickel­ geschwindigkeit und ggf. die Wickelbeschleunigung ermittelt, die insbesondere bei großen Trommelmassen wegen des Träg­ heitsmoments der Leitungstrommel eine dynamische Momenten­ anpassung erfordert. Anhand dieser Daten (Rotorstellung in Abhängigkeit von der Zeit) wird somit die Leitungstrommel­ stellung und der momentan erforderliche Momentenbedarf er­ mittelt und der elektronischen Momentenregelung als Sollwert vorgegeben. Es sei ergänzend angemerkt, daß die Momemtenre­ gelung anhand der jeweiligen elektrischen Größen im Motor nicht nur das Ist-Moment des Motors bestimmt, sondern anhand der Drehrichtung auch berücksichtigt, daß beim Aufwickeln die zwischen Motor und Leitungstrommel auftretenden Reibungs­ verluste, beispielsweise des Getriebes, überwunden werden müssen, so daß zur Aufrechterhaltung einer konstanten Zug­ kraft auf die Versorgungsleitung (gleicher Wickelradius vorausgesetzt) beim Auf- und Abwickeln ein unterschiedlicher Momentenbedarf am Motor besteht.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß der Verfahr­ weg des Verbrauchers nicht mehr direkt erfaßt werden muß, was in der Praxis erhebliche Vorteile mit sich bringt, da ein möglicher Schlupf im Antrieb des Verbrauchers keinen Einfluß mehr auf die Zugspannung in der Versorgungsleitung hat. Die Leitungsspannung ist praktisch nur noch abhängig von der Genauigkeit der Momentenregelung, die mit den heuti­ gen elektronischen Regeleinrichtungen sehr exakt eingehalten werden kann. Es kann somit mit einem verhältnismäßig klein dimensionierten Antriebsmotor die Zugspannung in der Versor­ gungsleitung unabhängig von der Verfahrrichtung, vom Verfahr­ weg, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Verbrau­ chers konstant gehalten werden. Die elektronische Momenten­ regelung benötigt neben der anhand der Rotorstellung ermit­ telbaren Sollwertvorgaben keine weiteren mechanischen Ein­ richtungen zur Ermittlung des tatsächlichen Drehmoments. Dies erfolgt rein elektronisch über den Frequenzumrichter und die zugehörige Regelelektronik, in der die nicht line­ aren Motorgrößen wie Rotorfluß und Momentenstrom entkoppelt werden und als lineare Steuergrößen dienen. Als Antriebs­ motor kann ein Asynchron- oder Drehstromservomotor einge­ setzt werden. Die bevorzugte Lösung liegt im Einsatz eines Drehstromasynchronmotors.

Vorteilhaft erfolgt die Momentenregelung gemäß Anspruch 2 über einen Mikroprozessor, wobei die zur Sollwertvorgabe erforderlichen und in Abhängigkeit vom Wickelradius der Leitungstrommel veränderlichen Momentenbedarfswerte im Mikro­ prozessor vorprogammiert sind. Die Programmierung erfolgt zweckmäßigerweise nicht durch Eingabe von Einzelwerten, sondern durch direkte Eingabe der mathematischen Beziehung zwischen Rotorstellung und Momentenbedarf. Eine konstante Leitungsspannung innerhalb der Versorgungsleitung setzt - konstanten Leitungsquerschnitt vorausgesetzt - eine konstan­ te Zugkraft voraus, die, multipliziert mit dem momentanen Wickelradius den Momentenbedarf an der Welle der Leitungs­ trommel ergibt. Berücksichtigt man den Übersetzungsfaktor zwischen dem Antriebsmotor und der Antriebswelle der Lei­ tungstrommel - hier ist regelmäßig ein Getriebe zwischenge­ schaltet -, so erhält man eine Funktion des Momentenbedarfs am Antriebsmotor in Abhängigkeit vom Wickelradius bzw. der Leitungstrommelstellung bzw. der Rotorstellung des Antriebs­ motors. Dieser jeweilige Momentenbedarf wird vom Mikropro­ zessor anhand des Ausgangssignals der Meßvorrichtung ermit­ telt und der Momentenregelung als Sollwert vorgegeben.

Um bei Störungen in der Motorregelung oder bei äußeren me­ chanischen Einflüssen eine Beschädigung der Versorgungslei­ tung unter allen Umständen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, der Motormomentenregelung eine Steuerung vorzuschalten, die einen Leitungsspannungsfühler aufweist, der beim Über­ schreiten einer vorbestimmten Zug- oder ggf. auch Druck­ spannung in der Versorgungsleitung den Fahrantrieb des Ver­ brauchers und den Leitungstrommelantrieb unterbricht (An­ spruch 3).

Um zu verhindern, daß bei Stromausfall oder bei Außerbetrieb­ setzung der Vorrichtung die Versorgungsleitung unkontrol­ liert auf- oder abgewickelt wird, ist zusätzlich neben der elektrischen Motorbremse eine mechanische Bremse vorgesehen, welche beim Ausfall der Versorgungsenergie die Leitungstrom­ mel bzw. den damit verbundenen Antrieb feststellt (Anspruch 4). Vorzugsweise ist diese mechanische Bremse am Rotor des Antriebsmotors vorgesehen. Hierdurch wird der Stillstand des Antriebsmotors und somit der Leitungstrommel bei Ausfall der Versorgungsenergie und somit der Momentenregelung gewähr­ leistet.

Die Genauigkeit der Momentenregelung kann dadurch weiter erhöht werden, daß gemäß Anspruch 5 an der Fahrstrecke des Verbrauchers ein von diesem beim Überfahren ausgelöster Endschalter zur Kalibrierung der Meßvorrichtung angeordnet wird. Dieser Endschalter sitzt vorzugsweise im Bereich der ortsfesten Anschlußstelle, so daß beim Überfahren dieses Endschalters durch den Verbraucher die Leitungstrommel nahezu vollständig aufgewickelt ist. In dieser Stellung erhält der Mikroprozessor ein Signal, wonach der über die Rotor­ stellung ermittelte Wickelradius und damit letztlich der Verfahrweg des Verbrauchers auf Null gesetzt wird, wodurch die möglicherweise durch Meßungenauigkeiten oder beim mehr­ maligen Auf- und Abwickeln der Leitungstrommel entstehenden Ungenauigkeiten vollständig ausgeglichen werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild des Antriebs einer Vorrichtung zur Versorgung eines verfahrbaren, versorgungsnetzabhängigen Verbrauchers.

Der anhand der Figur dargestellte Antriebsteil gehört zu einer Vorrichtung zur Versorgung eines verfahrbaren, versor­ gungsnetzabhängigen Verbrauchers, wie beispielsweise eines Krans, der über eine elektrische Versorgungsleitung von einer ortsfesten Anschlußstelle aus versorgt wird. Die Ver­ sorgungsleitung 1 ist auf einer Leitungstrommel 2 aufge­ wickelt und über einen nicht dargestellten Schleifringkörper mit dem elektrischen Versorgungsnetz 3 verbunden.

In der Figur ist die von der Leitungstrommel 2 zum nicht dargestellten Speisepunkt führende Versorgungsleitung 1 nur bis zu einer Umlenkvorrichtung 4 dargestellt.

Die Leitungstrommel 2 ist mit dem Rotor eines Drehstrom- Asynchronmotors 5 antriebsverbunden. Zwischen dem Asynchron­ motor 5 und der Leitungstrommel 2 ist ein Untersetzungsge­ triebe 6 angeordnet. Die Ansteuerung des Asynchronmotors 5 erfolgt über einen Frequenzumrichter 7, der seinerseits durch einen Mikroprozessor 8 gesteuert ist. Der Frequenzum­ richter 7 ist über einen Transformator 9 mit dem Drehstrom­ netz 3 verbunden. Der Transformator 9 ist nur dann erforder­ lich, wenn die Netzspannung nicht mit der Versorgungsspan­ nung des Frequenzumrichters 7 übereinstimmt.

Der mikroprozessorgesteuerte Frequenzumrichter 7 regelt das Moment des Asynchronmotors 5 entsprechend einem im Mikropro­ zessor 8 vorgebbaren Sollwert.

Am Rotor des Asynchronmotors 5 ist ein Drehwinkelmesser 10 vorgesehen, der die jeweilige Rotorwinkelstellung an den Mikroprozessor 8 übermittelt. Anhand der Rotorwinkel­ stellung ist auch die Leitungstrommelwinkelstellung und damit der jeweilige Wickelradius sowie die jeweilige Lei­ tungstrommelgeschwindigkeit und -beschleunigung bestimmbar. Vom jeweiligen Wickelradius ist das jeweils benötigte An­ triebsmoment der Leitungstrommel 2 bzw. des Asynchronmotors 5 abhängig, um eine konstante Zugkraft auf die Versorgungs­ leitung 1 zu erhalten. Über die jeweilige Rotorstellung kann somit der erforderliche Momentenbedarf an der Antriebswelle der Leitungstrommel 2 und somit das erforderliche Moment des Asynchronmotors 5 bestimmt werden. Die mathematische Bezie­ hung zwischen dem Momentenbedarf in Abhängigkeit von der Rotorstellung ist im Mikroprozessor 8 einprogrammiert, so daß innerhalb des Mikroprozessors 8 der jeweils erforder­ liche Momentenbedarf des Asynchronmotors 5, der zur Aufrecht­ erhaltung der erforderlichen Leitungsspannung in Abhängig­ keit vom Wickelradius der Leitungstrommel 2 erforderlich ist, ermittelt und der Momentenregelung als Sollwert vorge­ geben wird.

Die Momentenregelung selbst erfolgt elektronisch über die Motorgrößen wie Rotorfluß und Momentenstrom ebenfalls durch den Mikroprozessor 8 in an sich bekannter Weise.

Dem mikroprozessorgesteuerten Frequenzumrichter 7, 8 ist eine Steuerung 11 vorgeschaltet, die eine mechanische Motor­ bremse 12 ansteuert. Die Motorbremse 12 ist zusätzlich zu der ohnehin vorhandenen elektrischen Motorbremse, die durch den mikroprozessorgesteuerten Frequenzumrichter 7, 8 gesteu­ ert wird, vorgesehen. Diese Bremse 12 dient als Haltebremse und arretiert den Rotor beispielsweise beim Ausfall der Versorgungsenergie oder beim Ausfall der Regelelektronik.

Die Steuerung 11 weist ferner einen Leitungsspannungsfühler 13 auf, der aus Sicherheitsgründen vorgesehen ist. Über­ schreitet die Zugspannung in der Versorgungsleitung 1 einen vorgegebenen Wert (dieser Wert liegt in der Regel kurz unter­ halb der höchstzulässigen Zugspannung), so wird über die Steuerung 11 die elektrische Versorgung für den Fahrantrieb des Verbrauchers sowie für den Asynchronmotor 5 unterbrochen und anschließend die Feststellbremse 12 aktiviert. Über die Steuerung 11 und den Leitungsspannungsfühler 13 wird somit auch bei Fehlern in der elektronischen Regelung oder äußeren Störeinflüssen sichergestellt, daß die zulässige Spannung in der Versorgungsleitung 1 nicht überschritten wird. Der Leitungsspannungsfühler 13 ist eine Zusatzeinrich­ tung, die nicht zwingend erforderlich ist. Der Einsatz er­ folgt zweckmäßigerweise bei den Vorrichtungen, die für die Versorgung von im wesentlichen horizontal verfahrbaren Ver­ brauchern eingesetzt werden. Bei Hubtrommeln ist der Lei­ tungsspannungsfühler in der Regel nicht erforderlich.

Weiterhin hat die Steuerung 11 die Aufgabe, die innerhalb des Mikroprozessors 8 über den Drehwinkelmesser 10 indirekt erfolgende Wegmessung der von der Leitungstrommel 2 ab- bzw. aufgewickelten Versorgungsleitung 1 zu kalibrieren. Hierzu ist ein Endschalter 14 vorgesehen, der vom Verbraucher aus­ gelöst wird, wenn dieser einen bestimmten Punkt nahe der Einspeisung überfährt. Der Schalter 14 ist so angeordnet, daß bei seinem Überfahren durch den Verbraucher die Versor­ gungsleitung 1 nahezu vollständig auf der Leitungstrommel 2 aufgewickelt ist. Sobald der Endschalter 14 ausgelöst wird, setzt die Steuerung 11 die innerhalb des Mikroprozes­ sors 8 vorgenommene Wegmessung auf Null, wodurch in regel­ mäßigen Abständen (beim Überfahren des Endschalters 14) eine Kalibrierung erfolgt.

Die vorstehend beschriebene elektronische Momentenregelung, die anhand der Rotorstellung den in Abhängigkeit des Wickel­ radius veränderlichen Momentenbedarf an der Antriebswelle der Leitungstrommel 2 und somit den Momentenbedarf des Asyn­ chronmotors 5 ermittelt und entsprechend dem vorgegebenen Sollwert regelt, sorgt für eine konstante Zugspannung inner­ halb der Versorgungsleitung 1, unabhängig davon, ob die Versorgungsleitung 1 auf die Leitungstrommel 2 auf- oder abgewickelt wird. Über den Drehwinkelmesser 10 wird im Mikro­ prozessor 8 die jeweilige Position des Verbrauchers, ggf. seine Geschwindigkeit oder Beschleunigung ermittelt und der Asynchronmotor 5 entsprechend geregelt. In den meisten Bewegungsphasen des Verbrauchers und der Leitungstrommel 2 ist der Asynchronmotor 5 so angesteuert, daß ein Drehmo­ ment im aufwickelnden Drehsinn auf die Leitungstrommel 2 ausgeübt wird. Dabei wird die Versorgungsleitung 1 beim Abwickeln von der Trommel 2 entgegen dem Antriebsmoment des Motors 5 abgezogen, wobei sich das Antriebsmoment ent­ sprechend dem durch den Mikroprozessor 8 ermittelten Wert ändert. Treten Betriebsphasen auf, in denen ein entgegenge­ setztes Drehmoment, d. h. ein Moment im abwickelnden Sinne benötigt wird, so wird der Frequenzumrichter 7 über den Mikroprozessor 8 so angesteuert, daß eine Drehrichtungsum­ kehr des Motors 5 erfolgt und ein Moment in abwickelnder Richtung entsteht.

Bezugszeichenaufstellung

 1 Versorgungsleitung
 2 Leitungstrommel
 3 Versorgungsnetz
 4 Umlenkvorrichtung
 5 Asynchronmotor
 6 Getriebe
 7 Frequenzumrichter
 8 Mikroprozessor
 9 Transformator
10 Drehwinkelmesser
11 Steuerung
12 Motorbremse
13 Leitungsspannungsfühler
14 Endschalter

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Versorgung eines verfahrbaren, versor­ gungsnetzabhängigen Verbrauchers über eine von einer orts­ festen Anschlußstelle zum Verbraucher führende Versorgungs­ leitung (1), die in Abhängigkeit des Verfahrwegs des Ver­ brauchers auf eine bzw. von einer Leitungstrommel (2) wickel­ bar ist, mit einem drehrichtungsumkehrbaren über einen Fre­ quenzumrichter (7) gesteuerten Asynchron- oder Drehstromser­ vomotor (5) für den Wickelantrieb der Leitungstrommel (2), dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (5) eine elektronische Momentenregelung (8) zugeordnet ist, und daß eine Meßvorrichtung (10) zur Erfassung des Rotorwin­ kels vorgesehen ist, wobei anhand des Ausgangssignals der Meßvorrichtung (10) die jeweilige Leitungstrommelstellung und der momentan erforderliche Momentenbedarf ermittelt und der Regelung (8) als Sollwert vorgegeben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Momentenregelung über einen Mikro­ prozessor (8) erfolgt, und daß die zur Sollwertvorgabe er­ forderlichen und in Abhängigkeit vom Wickelradius der Lei­ tungstrommel (2) veränderlichen Momentenbedarfswerte im Mikroprozessor (8) vorprogrammiert sind, wobei der Mikropro­ zessor (8) den Momentensollwert anhand des Ausgangssignals der Meßvorrichtung (10), ggf. unter Berücksichtigung eines Übersetzungsfaktors, und der vorprogrammierten Momentenbe­ darfswerte ermittelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Motormomentenregelung (8) eine Steuerung (11) vorgeschaltet ist, die einen Leitungs­ spannungsfühler (13) aufweist, und beim Überschreiten einer vorbestimmten Zug- und/oder Druckspannung in der Versorgungs­ leitung (1), den Fahrantrieb des Verbrauchers und den Lei­ tungstrommelantrieb unterbricht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß eine mechani­ sche Bremse (12) vorgesehen ist, welche beim Ausfall der Versorgungsenergie die Leitungstrommel (1) oder ihren An­ trieb, vorzugsweise den Rotor des Motors (5), feststellt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Fahr­ stecke des Verbrauchers ein von diesem beim Überfahren aus­ gelöster Endschalter (14), vorzugsweise im Bereich der orts­ festen Anschlußstelle der Versorgungsleitung (1) zur Kali­ brierung der Meßvorrichtung (10) angeordnet ist.