DE4038981C2 - Hubwerksantrieb, insbesondere für einen Turmkran - Google Patents

Description

Hubwerke, insbesondere von Turmkranen, müssen vielfach große Höhenunterschiede der Hakenhöhe überwinden. Dies bedingt vergleichsweise lange Transportzeiten der Last, bei einer Hakenhöhe von beispielsweise 50 m vielfach einige Minuten, da die Leistung des Hubwerksantriebs aus Kostengründen oder aus Gewichts- und Platzgründen in der Regel der maximalen Tragkraft des Krans entsprechend dimensioniert ist.

Um die Hubgeschwindigkeit zumindest bei Lasten kleiner als die Nennlast vergrößern zu können, werden als Hub­ werksantrieb vielfach polumschaltbare Wechselstrommotore und insbesondere auch Wechselstrommotore mit einem nach­ folgenden, in Stufen schaltbaren Untersetzungsgetriebe benutzt. Polumschaltbare Motore erfordern jedoch einen vergleichsweise hohen Schaltungsaufwand zur Steuerung, und beim Umschalten der Drehzahlen können hohe Drehmoment­ sprünge auftreten, die sich negativ auf die Positionie­ rung der Last auswirken und die Konstruktion von Turm und Ausleger des Krans beanspruchen. Getriebemotoren erfor­ dern hohen Konstruktionsteileaufwand und erhöhen das Krangewicht. In beiden Fällen läßt sich jedoch die Hubge­ schwindigkeit nur in groben Stufen variieren, womit sich die Transportgeschwindigkeit des Krans nur begrenzt innerhalb der durch die Motorleistung vorgegebenen Gren­ zen erhöhen läßt.

Es ist ferner bekannt, den Asynchronmotor eines Hubwerks mit Wechselstrom variabler Frequenz und variabler Strom­ amplitude aus einem Frequenzumrichter zu speisen. Derar­ tige Frequenzumrichter-Antriebe ermöglichen zwar eine stufenlos änderbare Einstellung der Hubgeschwindigkeit, wurden aber bisher meistens in Frequenzbereichen zwischen 0 und der die Nenndrehzahl des Asynchronmotors bestimmenden Netzfrequenz eingesetzt. Von einer Erhöhung der Frequenz in den Feldschwächungsbereich wurde in der Regel aus Gründen der Betriebssicherheit des Hubwerks abgesehen. Das den Asynchronmotor belastende Lastmoment muß stets kleiner sein als dessen Kippmoment, um ein Rückdrehen oder Ste­ henbleiben des Motors zu verhindern. Das Verhältnis von Kippmoment zum berechneten Nennmoment des Motors verringert sich mit wachsender Frequenz oberhalb der die Nenndreh­ zahl des Asynchronmotors bestimmenden Nennfrequenz, d. h. im Feldschwächungsbereich stark, womit die Hubgeschwindigkeit allenfalls geringfügig durch den Betrieb des Asynchronmotors im Feldschwächungsbereich über die Nenngeschwindigkeit hinaus angehoben werden konnte.

Aus EP 0 347 408 A1 ist ein Hubwerksantrieb mit einem netzge­ speisten Drehstrommotor bekannt, der über einen vorgeschalteten Frequenzumrichter mit variabler Drehzahl im Feldschwächungs­ bereich betrieben werden kann. Der solchermaßen aufgebaute Frequenzumrichterantrieb ist für eine Nennleistung bemessen, die lediglich für eine vorbestimmte Teillast des Hubwerks ausgelegt ist. Die Grenzfrequenz des Frequenzumrichters und damit die Motordrehzahl wird abhängig von dem Motorstrom des Drehstrommotors und damit abhängig von dessen Drehmoment be­ grenzt, so daß das Drehmoment des Drehstrommotors im Prinzip in einer Beziehung umgekehrt proportional zur Drehzahl einer durch die Motorleistung festgelegten Grenzkennlinie folgt. In der Praxis hängt die Genauigkeit, mit der diese Grenzkennlinie eingehalten werden kann, von einer Vielzahl schwankender Para­ meter ab, wie z. B. Unsicherheiten bei der Erfassung des Motor­ drehmoments, abhängig vom Motorstrom. Solange die im Feldschwä­ chungsbetrieb angestrebte Drehzahlspreizung vergleichsweise klein ist, lassen sich hinreichend große Kippsicherheitsreser­ ven einhalten. Die gemäß EP 0 347 408 A1 erreichbare Drehzahl­ spreizung ist für eine Vielzahl Anwendungsfälle nicht groß genug.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Hubwerksantrieb zu schaf­ fen, der die Transportzeiten des Hubwerks bei selbsttätiger, der Belastung entsprechender Einstellung auf maximal zulässige Werte bei hoher Betriebssicherheit auf ein Minimum verringert.

Ausgehend von einem Hubwerksantrieb der aus EP 0 347 408 A1 bekannten Art betrifft die Erfindung einen Hubwerksantrieb, insbesondere für einen Turmkran, mit einem im Feldschwächungs­ bereich betreibbaren Wechselstrommotor, insbesondere einem Asynchronmotor, einem den Wechselstrommotor mit Wechselstrom änderbarer Frequenz speisenden Frequenzumrichter und einer die Frequenz des Frequenzumrichters auf einen insbesondere stufen­ los wählbaren Frequenz-Sollwert einstellenden Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung eine Ermittlungseinrichtung umfaßt, die einen ein Maß für das momentane Drehmoment des Motors repräsentierenden Belastungswert ermittelt und die Frequenz des Frequenzumrichters abhängig von dem ermittelten Belastungswert auf einen maximal zulässigen Frequenzwert einstellt sowie bei einer Änderung des Belastungswerts nachführt, wenn der gewählte Frequenz-Sollwert größer als der maximal zulässige Frequenzwert ist. Bei einem solchen Hubwerksantrieb ist die Erfindung da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung die Motorleistung erfaßt und eine Begrenzerstufe aufweist, die die erfaßte Motor­ leistung mit einem vorgegebenen Wert der Motorleistung ver­ gleicht und bei Überschreitung des vorgegebenen Werts die Fre­ quenz des Frequenzumrichters reduziert.

Bei einem solchen Hubwerksantrieb wird die Motorleistung auf einen Begrenzungswert geregelt und damit konstant gehalten. Auf diese Weise läßt sich der Zusammenhang zwischen dem Motordreh­ moment und der maximal zulässigen Motordrehzahl besonders exakt in vorbestimmter Weise einhalten. Dementsprechend läßt sich die Drehzahlspreizung im Feldschwächungsbetrieb des Motors auf re­ lativ große Werte unter Beachtung des Kippsicherheitsaspekts erhöhen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Steuerschaltung eine Recheneinrichtung umfaßt, die abhängig von in einem Datenspeicher gespeicherten Daten eines elektrischen Ersatzschaltbilds des Motors und abhängig von dem ermittelten Belastungswert sowie dem Motorstrom den maximal zulässigen Frequenzwert errechnet. Mit Hilfe einer derartigen Recheneinrichtung kann der maximal zulässige Frequenzwert der tatsächlichen Be­ triebssituation besser angepaßt ermittelt werden.

Die Motorleistung hängt in üblicher Weise sowohl von der Motorspannung als auch dem Motorstrom ab. Soweit der Frequenzumrichter eine auf einen konstanten Wert geregel­ te Ausgangsspannung hat, genügt es, den Motorstrom mit Hilfe der Leistungsregeleinrichtung konstant zu halten, wobei es hier genügt, den Motorstrom mit Hilfe einer Stromregeleinrichtung, welche die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters verändert, konstant zu halten, damit die Leistung konstant bleibt. Da bei einer solchen Rege­ lung Spannungseinbrüche nicht vollständig ausgeschlossen werden können, kann im Einzelfall eine erhöhte Kippsi­ cherheitsgrenze erforderlich sein, die ihrerseits den ausnutzbaren Hubgeschwindigkeitsbereich einengt.

Ein besonders großer ausnutzbarer Hubgeschwindigkeitsbe­ reich wird erreicht, wenn die Leistungsregeleinrichtung eine sowohl auf den Motorstrom als auch auf die Motor­ spannung ansprechende Rechnereinrichtung umfaßt, die einen die momentane Motorleistung repräsentierenden Wert ermittelt.

Bei der den Belastungswert bzw. das Motormoment ermit­ telnden Ermittlungseinrichtung kann es sich um eine die Hubwerkslast zum Beispiel am Haken oder an der Motorwelle messende Kraftmeßeinrichtung handeln. Soweit jedoch die Leistung des Motors konstant gehalten wird, kann, wie dies in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, der momentane Belastungswert auch errechnet werden, zum Beispiel abhängig von dem mittels der Leistungsregelein­ richtung geregelten Motorstrom und gegebenenfalls abhän­ gig von dem momentanen Frequenzwert.

Da die Steuerschaltung inhärent die Kippsicherheitsbedin­ gungen des Motors beachtet, läßt sich das Hubwerk pro­ blemlos und ohne Anfahrstöße und Schwingungen über Ram­ penfunktionen der Steuerschaltung beschleunigen und abbremsen. Die Steuerschaltung umfaßt hierzu eine Rampen­ funktionseinrichtung, die durch Änderungen des Frequenz- Sollwerts aktivierbar ist und den Frequenzwert des Fre­ quenzumrichters kontinuierlich in Richtung auf den geän­ derten Frequenz-Sollwert ändert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der über die Leistungsregeleinrichtung vorgegebene Leistungswert, insbesondere der maximale Leistungsgrenzwert, einstell­ bar. Dies erlaubt es, die im Hubantrieb umgesetzte Ener­ gie von außen anzupassen, um beispielsweise den Motor unter bestimmten Betriebsbedingungen, zum Beispiel beim Aufstellen des Krans in einigen tausend Meter Höhe zu schonen oder um eine externe Beschaltung, wie zum Bei­ spiel einen Rückspeisewiderstand geringer dimensionieren zu können.

Eine Erhöhung der Kippsicherheitsgrenzen verringert normalerweise den ausnutzbaren Hubgeschwindigkeitsbe­ reich. Um ohne Minderung der Kippsicherheit den ausnutz­ baren Hubgeschwindigkeitsbereich vergrößern zu können, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, daß der Motor für eine geringere Nennspannung als die Nenn- Ausgangsspannung des Frequenzumrichters bemessen ist. Diese Maßnahme erhöht die Funktionssicherheit des Hub­ werksantriebs bei Netzspannungseinbrüchen und langen Zuleitungen, ohne daß dies auf Kosten des ausnutzbaren Hubgeschwindigkeitsbereichs ginge. Die Nennspannung des Motors wird hierbei zweckmäßigerweise um 12 bis 25% kleiner gewählt als die Nenn-Ausgangsspannung des Fre­ quenzumrichters.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm, das für eine vorgegebene Motorlei­ stung die Abhängigkeit des Motormoments von der Motordrehzahl zeigt und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Hub­ werkantriebs.

Fig. 1 zeigt das Motormoment M eines Asynchronmotors, normiert auf dessen Nennmoment M_N in Abhängigkeit der auf die Nenndrehzahl n_N normierten Motordrehzahl n in Form einer durchgehenden Linie für die Nennleistung des Asyn­ chronmotors. Im Ankerstellbereich, d. h. zwischen 0 und 1 der auf die Nenndrehzahl normierten Motordrehzahl n ist das Motormoment M gleich dem Nennmoment. Bei Motordreh­ zahlen größer als die Nenndrehzahl, d. h. im Feldschwä­ chungsbereich, nimmt das Motormoment unter der Annahme konstant gehaltener Motorleistung umgekehrt proportional zur Motordrehzahl ab. In das Diagramm der Fig. 1 ist strichpunktiert der Drehzahlverlauf des Kippmoments M_K des Asynchronmotors eingetragen, das sich näherungsweise umgekehrt proportional zum Quadrat der Motordrehzahl ändert.

Die Belastung des Asynchronmotors und dementsprechend das Motormoment muß stets kleiner als das Kippmoment sein. Es hat sich herausgestellt, daß Asynchronmotoren von Hubwer­ ken unter Berücksichtigung eventueller Spannungseinbrüche kippsicher betrieben werden können, wenn das Verhältnis M_K/M_N wenigstens 1,6 oder mehr beträgt. Diese Kippsicher­ heitsgrenze legt den maximal ausnutzbaren Drehzahlbereich des Asynchronmotors fest, der im Beispiel der Fig. 1 für einen Kippsicherheitsgrenzwert M_K/M_N = 1,6 bei der vier­ fachen Nenndrehzahl endet.

Der erfindungsgemäße Hubwerksantrieb gemäß Fig. 2 umfaßt einen Asynchronmotor 1, hier einen Drehstrom-Kurzschluß­ läufer-Asynchronmotor, zum Antrieb eines Hubwerks 3. Der Asynchronmotor 1 ist an einen Frequenzumrichter 5 ange­ schlossen, der aus einem Netz 7 mit Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz zugeführten Drehstrom in Drehstrom umformt, dessen Frequenz zwischen 0 und einem Mehrfachen der Netzfrequenz, beispielsweise dem Vierfachen der Netz­ frequenz, d. h. 200 Hz, stufenlos eingestellt werden kann. Die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters 5 bestimmt die Drehzahl des Motors 1. Im Frequenzbereich zwischen 0 und der Netzfrequenz, bei welcher der Motor 1 mit seiner Nenndrehzahl dreht, sorgt eine nicht näher dargestellte Drehzahlregelung dafür, daß die Frequenz des Frequenzum­ richters 5 und damit die Drehzahl des Motors 1 der am Frequenzumrichter 5 mittels eines Meisterschalters 9 oder dergleichen eingestellten Sollfrequenz proportional folgt.

Wird die Sollfrequenz über die der Nenndrehzahl zugeord­ nete Netzfrequenz hinaus in den Feldschwächungsbereich erhöht, so muß sichergestellt werden, daß die Kippsicher­ heitsgrenzen des Asynchronmotors eingehalten werden können. Hierzu ist ein Leistungsregelkreis vorgesehen, der bei 11 den Motorstrom und die Motorspannung erfaßt und in einer Rechnereinheit 13 hieraus die momentane Motorleistung errechnet. Eine Begrenzerschaltung 15, der aus einem einstellbaren Sollwertgeber 17 ein Leistungs- Sollwert zugeführt wird, liefert bei 19 ein Korrektursi­ gnal an eine Steuerung 21, die dementsprechend den vom Fre­ quenzumrichter 5 gelieferten Motorstrom und die Frequenz des Drehfeldes so steuert, daß die Motorleistung auf dem Leistungs-Sollwert konstant gehalten wird. Der Begrenzer­ schaltung 15 und gegebenenfalls der Rechnereinheit 13 werden hierzu aus einem Datenspeicher 23 Kenndaten des Motors 1 zugeführt. Sofern der Frequenzumrichter 5 von sich aus eine konstant gehaltene Ausgangsspannung abgibt, so genügt es zur Leistungsregelung, lediglich den Motor­ strom zu erfassen und diesen durch Variation der Frequenz konstant zu halten.

Die Begrenzerstufe 15 vergleicht den Leistungs- bzw. Stromsollwert mit dem Istwert der jeweiligen Größe und veranlaßt beim Überschreiten des Sollwertes durch den Istwert die Steuerung 21 zur Reduktion der Motordrehzahl durch Veränderung von Frequenz und Strom des Umrichters 5. Daten, die die momentane Belastung repräsentieren, erhält die Steuerung 21 entweder aus der Recheneinheit 13, oder sie werden durch den Motorstrom implizit darge­ stellt. Die Steuerung 21 errechnet aus Daten, die die Werte eines elektrischen Ersatzschaltbilds des Asynchron­ motors 1 repräsentieren und die ihr aus einem Datenspei­ cher 23 zugeführt werden, diejenige Frequenz, die ent­ sprechend dem Motormomentendiagramm der Fig. 1 bei der von der Stufe 15 ermittelten Belastung gerade noch zuläs­ sig ist. Die Steuerung 21 stellt den Frequenzumrichter 5 auf diese maximal zulässige Frequenz ein, selbst wenn der vom Meisterschalter 9 vorgegebene Frequenzsollwert eine höhere Frequenz und damit eine höhere Motordrehzahl verlangen würde. Liegt die vom Meisterschalter 9 vorgege­ bene Sollfrequenz unter der von der Steuerung 21 ermit­ telten maximal zulässigen Frequenz, so wird der Frequenz­ umrichter auf diese Sollfrequenz eingestellt. Der Meister­ schalter 9 kann damit frei wählbar verstellt werden. Die Steuerung 21 sorgt dafür, daß das Hubwerk die maximal zulässige Geschwindigkeit nicht überschreitet. Soweit das Korrektursignal der Begrenzerschaltung 15 bereits den maximal zulässigen Drehzahlgrenzwert widerspiegelt, kann dieser in der Steuerung 21 mit dem vorgegebenen Frequenz- Sollwert verglichen werden. Ist der Sollwert größer als der maximale Drehzahlgrenzwert, so wird der maximale Drehzahlgrenzwert an den Frequenzumrichter 5 weitergege­ ben, andernfalls wird der bei 9 eingestellte vorgegebene Frequenz- bzw. Drehzahl-Sollwert weitergegeben.

Ändert sich die Belastung des Motors, beispielsweise aufgrund des im Verlauf der Hubbewegung sich verringern­ den, anzuhebenden Seilgewichts, so erhöht die Steuerung 21 in gleichem Maße stufenlos die Hubgeschwindigkeit. Bei Hubwerken, bei welchen das Seil mehrlagig auf die Seil­ trommel gewickelt wird, kann die Steuerung 21 die beim Lagenwechsel auftretende Änderung des Motormoments durch automatische Anpassung der Hubgeschwindigkeit ausglei­ chen.

Beim vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel wird die Motorbelastung abhängig vom Motorstrom und gegebenenfalls der Motordrehzahl errechnet. Dies hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen mechanischen Sensoren oder dergleichen erforderlich sind. In einer Variante können aber zur Ermittlung des momentanen Motormoments Kraftmeßeinrich­ tungen mit der Motorwelle gekuppelt sein, wie dies bei 25 angedeutet ist. Die Kraftmeßeinrichtung kann, wie bei 27 angedeutet, alternativ auch die Hakenlast messen, da diese ein Maß für das Motordrehmoment ist. Derartige Kraftmeßeinrichtungen können zusätzlich zur Erhöhung der Betriebssicherheit vorgesehen sein.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die am Frequenz­ umrichter 5 einzustellende Frequenz abhangig von den Daten eines Ersatzschaltbildes des Motors 1 errechnet. Die in Fig. 1 für den Feldschwächungsbereich dargestellte Grenzkurve kann jedoch insgesamt auch, zum Beispiel in Tabellenform, in dem Datenspeicher 23 gespeichert sein, so daß die Steuerung 21 die maximal zulässigen Frequenz­ werte abhängig von errechneten oder gemessenen momentanen Motormomentwerten aus dem Datenspeicher 23 ausliest. Es versteht sich, daß der Datenspeicher 23 auch Kennlinien­ felder speichern kann, die zur Erhöhung der Betriebssi­ cherheit zusätzliche Parameter bei der Bereitstellung der Grenzkennlinien berücksichtigen.

Die Steuerung 21 umfaßt eine nicht näher dargestellte Rampenfunktionseinrichtung, die es erlaubt, die einzu­ stellende Frequenz mit einer vorbestimmten Änderungsge­ schwindigkeit an die maximal zulässige Frequenz heranzu­ führen. Die Änderungsgeschwindigkeit ist so bemessen, daß eine rasche und dennoch schwingungsfreie Drehzahländerung des Hubwerksantriebs erreicht wird.

Der Motor 1 ist für eine geringere Nennspannung als die Nenn-Ausgangsspannung des Frequenzumrichters 5 bemessen. Hierdurch kann die Funktions- und Kippsicherheit des Antriebs bei Netzspannungseinbrüchen und auch langen Zuleitungen erhöht werden. Der Motor 1 wird hierzu für eine Spannung von beispielsweise 310 V gewickelt, wenn die Netzspannung 380 V beträgt. Dies entspricht einer Spannungsverringerung von etwa 18%. Da die Klemmenaus­ gangsspannung des Frequenzumrichters 5 normalerweise etwa 5% kleiner ist als die Netzspannung, führen Spannungs­ einbrüche bis zu ca. 13% weder zu Leistungs- noch zu Funktionsbeeinträchtigungen.

Claims (9)

1. Hubwerksantrieb, insbesondere für einen Turmkran, mit ei­ nem im Feldschwächungsbereich betreibbaren Wechselstrom­ motor (1), insbesondere einem Asynchronmotor, einem den Wechselstrommotor (1) mit Wechselstrom änderbarer Frequenz speisenden Frequenzumrichter (5) und einer die Frequenz des Frequenzumrichters (5) auf einen insbesondere stufen­ los wählbaren Frequenz-Sollwert einstellenden Steuerschal­ tung (13, 15, 21, 23), wobei die Steuerschaltung (13, 15, 21, 23) eine Ermittlungseinrichtung (11; 25; 27) umfaßt, die einen ein Maß für das momentane Drehmoment des Motors (1) repräsentierenden Belastungswert ermittelt und die Frequenz des Frequenzumrichters (5) abhängig von dem er­ mittelten Belastungswert auf einen maximal zulässigen Frequenzwert einstellt sowie bei einer Änderung des Bela­ stungswerts nachführt, wenn der gewählte Frequenz-Sollwert größer als der maximal zulässige Frequenzwert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (13, 15, 21, 23) die Motorleistung erfaßt und eine Begrenzerstufe aufweist, die die erfaßte Motorleistung mit einem vorgegebenen Wert der Motorlei­ stung vergleicht und bei Überschreitung des vorgegebenen Werts die Frequenz des Frequenzumrichters (5) reduziert.

2. Hubwerksantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (5) eine kon­ stante Motorspannung liefert und daß die Regeleinrichtung (13, 15) auf den Motorstrom als Maß für die Motorleistung anspricht.

3. Hubwerksantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (13, 15) eine so­ wohl auf den Motorstrom als auch auf die Motorspannung an­ sprechende Recheneinrichtung (13) umfaßt, die einen die momentane Motorleistung repräsentierenden Wert ermittelt.

4. Hubwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungswert-Ermittlungseinrich­ tung eine die Hubwerkslast messende Kraftmeßeinrichtung (25) umfaßt.

5. Hubwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (13, 15, 21, 23) eine bei Änderungen des Frequenz-Sollwerts aktivierbare Rampenfunktionseinrichtung umfaßt, die den Frequenzwert kontinuierlich in Richtung auf den geänderten Frequenz- Sollwert ändert.

6. Hubwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Leistungswert ein­ stellbar ist.

7. Hubwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (1) als Kurz­ schlußläufer-Asynchronmotor ausgebildet ist.

8. Hubwerksantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor (1) für eine ge­ ringere Nennspannung als die Nenn-Ausgangsspannung des Frequenzumrichters (5) bemessen ist.

9. Hubwerksantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung des Wechselstrommotors (1) um 10 bis 15% kleiner gewählt ist als die Nenn-Ausgangsspannung des Frequenzumrichters (5).