DE4440420C3

DE4440420C3 - Verfahren und Einrichtung zum Überwachen und/oder Steuern der Drehzahl eines Elektroantriebs mit Frequenzumrichter für Hubwerke

Info

Publication number: DE4440420C3
Application number: DE4440420A
Authority: DE
Inventors: Holger Freitag; Anton Muenzebrock
Original assignee: Demag Cranes and Components GmbH
Current assignee: Demag Cranes and Components GmbH
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: EP0710619A2; DE4440420A1; EP0710619B1; JPH08208189A; DE59508166D1; US5818185A; DE4440420C2; JP3803128B2; EP0710619A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich tung zum Überwachen und/oder Steuern der Drehzahl eines Elektroantriebs mit einem über einen Frequenz umrichter an ein Wechsel- oder Drehstromnetz ange schlossenen Asynchronmotor, der mit einer Bremsvor richtung ausgerüstet ist.

Hubwerke werden vorwiegend von preiswerten und wartungsfreien Drehstrom-Asynchronmotoren ange trieben. Asynchronmotoren arbeiten am Drehstrom netz aufgrund der Netzfrequenz von z. B. 50 Hertz prin zipbedingt mit einer festen Nenndrehzahl, von der nur geringfügige Abweichungen möglich sind. Um die Drehzahl gesteuert zu verändern, werden Frequenzum richter zwischen Drehstromnetz und Asynchronmotor eingesetzt.

Hubwerke bzw. Hebezeuge müssen so gebaut und dimensioniert werden, daß sie sicher betrieben werden können und Personen- und Sachschäden durch gefährli che Bewegungen der Last verhindert werden.

Insbesondere muß eine Lastbewegung durch Motor und Bremse abgebremst werden können und die hän gende Last muß gehalten werden können.

Zum Stand der Technik gehört eine Lösung (EP 0 347 408 B1), bei der durch Feldschwächung über den Frequenzumrichter frequenzabhängige Drehzahlen eingestellt werden können, so daß schwere Lasten mit langsamerer Geschwindigkeit und leichte Lasten mit Nenngeschwindigkeit gehoben werden können. Dabei wird jedoch verkannt, daß nicht allein der Hubvorgang sondern auch der Senkvorgang bei einem Hubwerk von großer Bedeutung in bezug auf das Sicherheitsverhalten ist.

Der in den Ansprüchen 1 und 10 angegebenen Erfin dung liegt daher das Problem zugrunde, ein Hubwerk, bestehend aus einem über einen Frequenzumrichter an ein Drehstromnetz angeschlossenen Asynchronmotor, der mit einer Bremsvorrichtung für Heben und Senken ausgerüstet ist, entsprechend sicher zu gestalten.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das maximale Drehmoment, das der Huban trieb für das Anheben einer Last erzeugt, kleiner als das Haltemoment der Bremsvorrichtung eingestellt wird. Dadurch wird sichergestellt, daß in jeder Lage der Last ein unzulässig großes und schnelles Absenken derart, daß Gefahr für Menschen und Sachen besteht, vermie den wird.

Es ist eine Bremsanordnung für den Schleifring-Asyn chronmotor eines Hebezeugs bekannt (DE- OS 17 81 123), mit einer Drehzahlüberwachungsschal tung, die am Läuferstromkreis angeschlossen ist und nach Erreichen einer eingestellten Drehzahl des Läufers einen Schützen schaltet. Durch diese Schaltung wird der Läuferstromkreis niederohmig, und der Motor entwic kelt ein der Größe des Läuferwiderstandes entspre chendes Drehmoment in Richtung "Heben" und bremst die Last ab. Ist die Last bis auf eine eingestellte Ge schwindigkeit abgebremst, so schaltet das Schütz wie der ab, womit dann die Last wieder schneller zu sinken beginnt. Davon abgesehen, daß diese bekannte Bauwei se mit einem Frequenzumrichter (Thyristor) arbeitet, besteht keine Sicherheit dafür, daß bei einer bestimmten Drehzahl die Drehzahlüberwachungsschaltung auch das Schaltschütz schaltet und dann die Last nach unten durchzieht, so daß die Bremsen nicht rechtzeitig eingrei fen.

Es ist ferner bekannt (JP-52-1 18 752), beim Heben und Senken einer Kranlast Vorsorge gegen den Ausfall eines thyristorgesteuerten Antriebs zu treffen. Hierbei wird für den Fall, daß der Zündimpuls für eine bestimm te Operation zu einer bestimmten Zeit nicht erzeugt wird, d. h. wenn das Ansteuersignal für den oder die Thyristoren nicht gleichzeitig bzw. nicht von der Opera tions- bzw. Arbeits- oder Geschwindigkeitssteuerung nicht bereitgestellt wird und der Absturz der Last zu befürchten wäre, ein logisches ODER-Glied verwendet, welches mit der elektrischen Energieversorgung der Motorbremse verbunden ist. Mit einer solchen Schal tung greift man für den Fall ein, daß das Ansteuersignal an die Thyristoren ausbleibt, d. h. der Antrieb eines Krans ohne Energie ist und die Last abstürzen würde. Es ist somit für den Fall des Ausfalles des Antriebes vorge sorgt, indem das ODER-Glied in jedem Fall die Energie versorgung der Elektromagnetbremse des Antriebsmo tors einschaltet und damit den Motor bremst. Diese be kannte Einrichtung enthält somit keinerlei Angaben über die Antriebsleistung des Motors oder das von ihm aufzubringende Drehmoment im Verhältnis zu der er forderlichen Bremsleistung.

In Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß das verfügbare Brems moment um einen Zuschlag zu dem maximalen Motor drehmoment erhöht ist, der bei einer Senkbewegung der maximalen Last mit der Nenngeschwindigkeit not wendig ist, um die gehobene Last bis zum Stillstand in einer zulässigen Zeit zu verzögern. Dadurch wird noch mehr Sicherheit gegen ein unzulässiges Beschleunigen der Last im Senkbetrieb erzielt.

Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß für geho bene Lasten eine maximal zulässige Frequenz für die Überschreitung der Nenngeschwindigkeit ermittelt wird, wenn die Maximallast nicht erreicht wird. Vorteil hafterweise wird hier die Leistungsfähigkeit des Motors in einem erlaubten Rahmen der Bremssicherheit ausge nutzt.

Praktische Ausführungsformen dieses Verfahrens be stehen z. B. darin, daß eine Drehzahlsteuerung die maxi mal zulässige Frequenz für die angehängte Last durch einen Vergleich der Ist-Drehzahl mit dem ausgegebe nen Frequenz-Sollwert zu einem Zeitpunkt ermittelt, wenn ein Folgekontakt eines Befehlsgebers betätigt wird, der durch einen ersten Kontakt die Hubbewegung einleitet und durch dessen Folgekontakt den Ver gleichsvorgang auslöst. Die Sicherheit wird also auch dadurch erhöht, daß zu Beginn des Hubvorganges zu lässige Geschwindigkeitsgrenzwerte lastabhängig er mittelt werden können.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß für die Ermittlung der maximal zulässigen Frequenz zu nächst der Frequenz-Sollwert für einen Elektroan triebs-Typenpunkt vorgegeben und die Drehzahlabwei chung gemessen und dann eine entsprechend größere maximale Frequenz an den Frequenzumrichter ausge geben wird, wenn die Drehzahlabweichung den Nenn wert unterschreitet. Vorteilhafterweise wird dadurch die Leistungsfähigkeit des Motors durch eine höhere Drehzahl ausgenutzt. Ferner wird vorteilhafterweise der Elektroantriebs-Typenpunkt deshalb ausgenutzt, weil das Verhalten in diesem Punkt nahezu linear ist, was einen Vorteil des Asynchronmotors darstellt und einen reproduzierbaren Vorgang beinhaltet.

Nach weiteren Merkmalen ist vorgesehen, daß die Drehzahlsteuereinrichtung während der Hubbewegun gen kontinuierlich die Abweichung zwischen Drehzahl und Sollfrequenz auf den elektroantriebstypischen Grenzwert überwacht und bei Grenzwertüberschrei tung die Bremsvorrichtung als Nothalte-Einrichtung ak tiviert. Dadurch entsteht zusätzliche Sicherheit gegen nachträglich auftretende bislang nicht berücksichtigte Belastungen des Hubwerkes.

Eine weitere Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, daß für eine stufenlose Steuerung des Frequenzsoll wertes zwischen den ersten Kontakten des Befehlsge bers und dem Betätigen des Folgekontaktes ein zusätzli ches Steuersignal vom Befehlsgeber ausgegeben wird. Vorteilhaft ist hier, daß der Bediener über diesen Be fehlsgeber direkt die Geschwindigkeit beeinflussen kann.

Hierbei kann als zusätzliches Steuersignal ein analo ges Signal, wie z. B. eine elektrische Spannung, einge setzt werden. Ein solches analoges System kann steue rungstechnisch vorteilhaft verarbeitet werden.

Nach weiteren Merkmalen wird vorgeschlagen, daß die Größe des Analogsignals zum Zeitpunkt der Kon taktbetätigung eines ersten Kontaktes die Minimaldreh zahl und die Größe des Analogsignals zum Zeitpunkt der Betätigung des Folgekontaktes die jeweils maximal zulässige Drehzahl bzw. Frequenz definiert, so daß durch das Analogsignal alle Drehzahl- bzw. Frequenz- Sollwerte innerhalb des zulässigen Bereiches vorgege ben werden. Diese Maßnahmen bedeuten ein Optimum an Ausnutzung des Betätigungsweges des Befehlsge bers und eine größtmögliche Genauigkeit bzw. Auflö sung.

Einrichtungstechnisch wird die gestellte Aufgabe er findungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Drehzahlsteu ereinrichtung mit einem Drehzahlgeber am Elektroan trieb mit einem Befehlsgeber für Richtung und Ge schwindigkeit der Hubbewegung, mit dem Frequenz umrichter und der Bremsvorrichtung verbunden ist, wo bei die Drehzahlsteuerung die Ist-Drehzahl und die Drehrichtung des Asynchronmotors und den Steuerbe fehl des Befehlsgebers für eine gewünschte Hubbewe gung erfaßt und daraus den Frequenz-Sollwert für den Frequenzumrichter und einen maximal zulässigen Fre quenz-Sollwert bildet Vorteilhafterweise begrenzt die Drehzahlsteuereinrichtung hier den Frequenzsollwert für den Frequenzumrichter auf die maximal zulässige Frequenz.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, anhand dessen sowohl das Ver fahren als auch die Einrichtung näher beschrieben wer den. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild der für das Verfahren erfor derlichen Einrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm für die Drehzahl und das Dreh moment des Asynchronmotors.

Ein Asynchronmotor 1 treibt (oder bremst) über ein Getriebe 2 eine Seiltrommel 3, an deren Seil 4 eine Last 5 hängt.

Ein den Asynchronmotor 1 ist in Form eines Impuls gebers 6 ein Drehzahlmesser 6a angeschlossen, dessen Impulse 7 über eine erste Steuerleitung 8 an eine Dreh zahlsteuereinrichtung 9 gelangen. An die Drehzahlsteu ereinrichtung 9 ist über eine zweite Steuerleitung 10 eine Bremse 11 für den Asynchronmotor 1 zugeschaltet. Zwischen dem Wechselstromnetz 12 und der Drehzahl steuereinrichtung 9 ist ein Frequenzumrichter 13 ge schaltet, der einen Wechselspannungsteil 13a, einen Gleichspannungsteil 13b und einen Frequenzwandler teil 13c enthält. An die Drehzahlsteuereinrichtung 9 ist über ein Steuerkabel 14 ein Befehlsgeber 15 (Handsteu ergerät) angeschlossen. Innerhalb des Befehlsgebers 15 befinden sich Schalteinrichtungen 15a für "Heben der Last" und 15b für "Senken der Last". Außerdem ist ein Schaltungsteil 15c für eine Veränderung der Spannung eingebaut.

Die Bremsvorrichtung 11 weist eine elektrisch gelüf tete Bremse auf. Bei Asynchronmotoren 1 mit Verschie beläufer erfolgt die elektrische Bremslüftung mit dem Einschalten der Motorklemmenspannung. Der Impuls geber 6 erzeugt ein elektrisches Signal entsprechend der Motordrehzahl "n".

Der Befehlsgeber 15 für Richtung und Geschwindig keit der Hubbewegung ist über das Steuerkabel 14 und die Drehzahlsteuereinrichtung 9 mit dem Frequenzum richter 13 und mit der Bremsvorrichtung 11 verbunden. Die Drehzahlsteuereinrichtung 9 erfaßt die Ist-Dreh zahl und die Drehrichtung des Asynchronmotors 1 und den Steuerbefehl des Befehlsgebers 15 für eine ge wünschte Hubbewegung und bildet daraus den Fre quenz-Sollwert für den Frequenzumrichter 13 und einen maximal zulässigen Frequenz-Sollwert.

Das Verfahren zum Überwachen und/oder Steuern der Drehzahl eines Elektroantriebs, bestehend aus dem Asynchronmotor 1 mit Getriebe 2 und der Seiltrommel 3, wobei der Asynchronmotor 1 über den Frequenzum richter 13 an das Drehstromnetz 12 angeschlossen ist, wird durch die auf den Asynchronmotor 1 wirkende Bremsvorrichtung 11 geprägt. Das maximale Drehmo ment 16 des Hubantriebs, herrührend aus dem Asyn chronmotor 1, dem Getriebe 2 und der Seiltrommel 3, das der Hubantrieb für das Anheben der Last 5 erzeugt, wird kleiner als das Haltemoment 17 eingestellt (Fig. 2). Damit ist ein Asynchronmotor 1 mit Frequenzumrichter 13 als Hubantrieb für Hebezeuge mit variabler Ge schwindigkeit geschaffen, der so gesteuert und über wacht ist, daß für verschiedene Lasten die maximale Drehzahl derart begrenzt wird, daß eine gefährliche Lastbewegung durch Überschreiten des verfügbaren Bremsmomentes 15 verhindert wird und gehobene La sten sicher gehalten werden können. Die Last wird da her bei Drehrichtungsumkehr immer sicher gehalten.

Hierbei ist dann sinnvoll, daß das verfügbare Brems moment 18 um einen Zuschlag 19 zu dem maximalen Motordrehmoment 16 erhöht wird, der bei einer Senk bewegung der maximalen Last mit der Nenngeschwin digkeit notwendig ist, um die gehobene Last 5 bis zum Stillstand in einer zulässigen Zeit zu verzögern und da mit sicher zu bremsen.

Für gehobene Lasten 5 wird eine maximal zulässige Frequenz für die Überschreitung der Nenngeschwindig keit ermittelt, wenn die Maximallast nicht erreicht wird.

Die Drehzahlsteuereinrichtung 9 bestimmt die maxi mal zulässige Frequenz für die angehängte Last 5 durch einen Vergleich der Ist-Drehzahl mit dem ausgegebe nen Frequenz-Sollwert zu einem Zeitpunkt, wenn ein Folgekontakt des Befehlsgebers 15 betätigt wird. Dieser leitet durch einen ersten Kontakt die Hubbewegung ein und löst durch dessen Folgekontakt den Vergleichsvor gang aus.

Für die Ermittlung der maximal zulässigen Frequenz wird der Frequenz-Sollwert für einen Elektroantriebs- Typenpunkt 20 (größte zulässige Last = Nennmoment)) vorgegeben, weil in diesem Punkt das Verhalten nahezu linear ist. Danach wird die Drehzahlabweichung gemes sen und eine entsprechende größere maximale Fre quenz ausgegeben, wenn die Drehzahlabweichung den Nennwert unterschreitet.

Die Bremsvorrichtung 11 wird als Nothalte-Einrich tung aktiviert, wenn die Drehzahlsteuereinrichtung 9 während der Hubbewegungen kontinuierlich die Ab weichung zwischen Drehzahl und Sollfrequenz auf den elektroantriebstypischen Grenzwert überwacht und ei ne Grenzwertüberschreitung feststellt.

Für eine stufenlose Steuerung des Frequenz-Sollwer tes zwischen den ersten Kontakten des Befehlsgebers 15 und dem Betätigen des Folgekontaktes kann ein zu sätzliches Steuersignal vom Befehlsgeber 15 ausgege ben werden. Als zusätzliches Steuersignal wird ein ana loges Signal, wie z. B. eine elektrische Spannung, einge setzt.

Die Größe des Analogsignals zum Zeitpunkt der Kontaktbetätigung eines ersten Kontaktes definiert die Minimaldrehzahl, und die Größe des Analogsignals zum Zeitpunkt der Betätigung des Folgekontaktes definiert die jeweils maximal zulässige Drehzahl bzw. Frequenz. Durch das Analogsignal werden alle Drehzahl- bzw. Frequenz-Sollwerte innerhalb des zulässigen Bereiches vorgegeben.

Bezugszeichenliste

1

Asynchronmotor

2

Getriebe

3

Seiltrommel

4

Seil

5

Last

6

Impulsgeber

6

a Drehzahlmesser

7

Impulse

8

erste Steuerleitung

9

Drehzahlsteuereinrichtung

10

zweite Steuerleitung

11

Bremsvorrichtung

12

Wechselstromnetz/Drehstromnetz

13

Frequenzumrichter

13

a Wechselspannungsteil

13

b Gleichspannungsteil

13

c Frequenzwandlerteil

14

Steuerkabel

15

Befehlsgeber

15

a Schalteinrichtung "Heben"

15

b Schalteinrichtung "Senken"

15

c Schaltungsteil Veränderung der Spannung

16

maximales Drehmoment des Asynchronmotors unter Last

17

Haltemoment der Bremsvorrichtung

18

verfügbares Bremsmoment

19

Zuschlag

20

Elektroantriebs-Typenpunkt

Claims

1. Verfahren zum Überwachen und/oder Steuern der Drehzahl eines Hubantriebs mit einem über einen Frequenzumrichter an ein Wechsel- oder Drehstromnetz angeschlossenen Asynchronmotor, der mit einer Bremsvorrichtung ausgerüstet ist, wobei das maximale Drehmoment, das der Hubantrieb für das Anheben einer Last erzeugt, kleiner als das Haltemoment der Bremsvorrichtung eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der durch eine Drehzahlsteuereinrichtung über den Frequenzumrichter betriebene Asynchronmotor durch Betätigung eines ersten Kontaktes eines Befehlsgebers mit einem Frequenz-Sollwert angesteuert wird,
daß durch Betätigung eines Folgekontaktes des Befehlsgebers der Asynchronmotor mit einem dem Elektroantriebs-Typenpunkt entsprechenden Frequenz-Sollwert angesteuert und ein Vergleichsvorgang ausgelöst wird, bei dem die erfaßte Ist-Drehzahl des Asynchronmotors mit der dem Frequenz- Sollwert entsprechenden Drehzahl verglichen und die Differenz der Drehzahlen bestimmt wird, und
daß aus der Differenz der Drehzahlen eine maximal zulässige Drehzahl des Asynchronmotors bestimmt und der Asynchronmotor mit dieser Drehzahl betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das verfügbare Bremsmoment (18) um einen Zuschlag (19) zu dem maximalen Motor drehmoment (16) erhöht ist, der bei einer Senkbe wegung der maximalen Last mit der Nennge schwindigkeit notwendig ist, um die gehobene Last (5) bis zum Stillstand in einer zulässigen Zeit zu verzögern.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für gehobene Lasten (5) eine maximal zulässige Frequenz für die Über schreitung der Nenngeschwindigkeit ermittelt wird, wenn die Maximallast nicht erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehzahlsteue rung (9) die maximal zulässige Frequenz für die angehängte Last (5) durch einen Vergleich der Ist- Drehzahl mit dem ausgegebenen Frequenz-Soll wert zu einem Zeitpunkt ermittelt, wenn der Folge kontakt eines Befehlsgebers (15) betätigt wird, der durch einen ersten Kontakt die Hubbewegung ein leitet und durch dessen Folgekontakt den Ver gleichsvorgang auslöst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der maximal zulässigen Frequenz zunächst der Fre quenz-Sollwert für einen Elektroantriebs-Typen punkt (20) vorgegeben und die Drehzahlabwei chung gemessen und dann eine entsprechend grö ßere maximale Frequenz an den Frequenzumrich ter (13) ausgegeben wird, wenn die Drehzahlabwei chung den Nennwert unterschreitet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlsteuer einrichtung (9) während der Hubbewegungen kon tinuierlich die Abweichung zwischen Drehzahl und Sollfrequenz auf den elektroantriebstypischen Grenzwert überwacht und bei Grenzwertüber schreitung die Bremsvorrichtung (11) als Nothalte- Einrichtung aktiviert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine stufenlose Steuerung des Frequenzsollwertes zwischen den ersten Kontakten des Befehlsgebers (15) und dem Betätigen des Folgekontaktes ein zusätzliches Steuersignal vom Befehlsgeber (15) ausgegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß als zusätzliches Steuersignal ein ana loges Signal, wie z. B. eine elektrische Spannung, eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Ana logsignals zum Zeitpunkt der Kontaktbetätigung eines ersten Kontaktes die Minimaldrehzahl und die Größe des Analogsignals zum Zeitpunkt der Betätigung des Folgekontaktes die jeweils maximal zulässige Drehzahl bzw. Frequenz definiert, so daß durch das Analogsignal alle Drehzahl- bzw. Fre quenz-Sollwerte innerhalb des zulässigen Berei ches vorgegeben werden.

10. Einrichtung zum Überwachen und/oder Steuern der Drehzahl eines über einen Frequenzumrichter an ein Drehstromnetz angeschlossenen Asynchronmotors für Hubantriebe, der mit einer Bremsvorrichtung ausgerüstet ist, mit einem Seil- oder Kettentrieb, die eine Seiltrommel bzw. ein Kettenrad aufweisen, wobei eine Drehzahlsteuerung mit einem Drehzahlgeber am Hubantrieb vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die den Frequenzumrichter (13) und die Bremsvorrichtung (11) steuernde, die Ist-Drehzahl und die Drehrichtung des Asynchronmotors (1) erfaßende Drehzahlsteuereinrichtung (9) bei betätigtem ersten Kontakt eines die Richtung und die Geschwindigkeit der Hubbewegung vorgebenden Befehlsgebers (15) den Asynchronmotor (1) über den Frequenzumrichter (13) mit mit einem Frequenz-Sollwert ansteuert und
bei nachfolgend betätigtem Folgekontakt des Befehlsgebers (15) den dem Elektroantriebs-Typenpunkt entsprechenden Frequenz-Sollwert vorgibt und aus der Ist-Drehzahl und der dem Frequenz-Sollwert entsprechenden Drehzahl die Differenz ermittelt, aus dieser Differenz eine maximal zulässige Drehzahl des Asynchronmotors bestimmt und den Asynchronmotor mit einem dieser maximal zulässigen Drehzahl entsprechenden Frequenz-Sollwert ansteuert.