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Die Erfindung betrifft ein Drelizahisteuersystem für
wechselrichterbetriebene Aufzüge, insbesondere ein offenes Drelizahisteuersystem.
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Ein Aufzug verwendet heutzutage als Motor einen Asynchronmotor, und
in zahlreichen Fällen wird der Asynchronmotor von einem
Wechselrichter angesteuert, der eine veränderliche Spannung und eine veränderliche
Frequenz bereitzustellen vermag. Bei einer Aufzugantriebsvorrichtung
mit einem solchen Asynchronmotor und einem Wechseirichter in
Kombination erfolgt die Drehzahlsteuerung des Asynchronmotors im
allgemeinen mit Hilfe eines Spannungs-Wechselrichters mit Offenschleifen-
Steuerung bei Aufzügen niedriger Geschwindigkeit, während bei
Aufzügen für mittlere und hohe Geschwindigkeiten eine Regelung (mit
Rückkopplung) mit Drehzahlfühleinrichtung verwendet wird.
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Bei der Offenschleifen-Drehzahlsteuerung werden die Beschleunigung,
die konstante Geschwindigkeit und die Verzögerung entsprechend einem
Drehzahlmuster dadurch realisiert, daß die Ausgangsfrequenz des
Wechselrichters gesteuert und außerdem dessen Ausgangsspannung basierend
auf einem Geschwindigkeitsmuster gesteuert wird.
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Die konventionelle Offenschleifen-Drehzahlsteuerung hat den Vorteil,
daß man keinen Drehzahlfühler benötigt, so daß die Kosten gering sind
und kein Bedarf an einer Ausfallersatzeinrichtung im Fall eines
Drehzahlfühler-Ausfalls besteht. Da es allerdings für die Motordrehzahl, d.h.
die Fahrgastkabine, keinen Drehzahlfühler gibt, ebensowenig wie einen
Detektor für eine zurückgelegte Aufzugschacht-Strecke, leidet die Ge
nauigkeit bei einem Haltevorgang häufig darunter, daß sie von der
Lastschwankung bestimmt wird.
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Die US-4 749 932 offenbart eine Vorrichtung zum Steuern eines
wechselstromgespeisten Aufzug-Asynchronmotors. Eine Steuereinheit gene
riert ein Sollsignal zum Steuern eines Wechselrichters nach Maßgabe des
Schlupfs des Asynchronmotors, wie er durch die in den Wechselrichter
eingespeiste Leistung bestimmt wird. Eine Korrektureinheit, die auf die
ermittelte Leistung anspricht, korrigiert den Motorschlupf, um die dem
Wechseirichter zugefulrrte Leistung auf vorbestimmten Werten zu halten.
Offenbarung der Erfindung
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Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Drehzahlsteuersystems
zur Verbesserung der Präzision beim Anhalten.
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Ein weiteres Ziel ist die Steigerung der Genauigkeit einer
Offenschleifen-Drehzahlsteuerung bei der Annäherung an ein Soll-Drehzahlmuster.
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Erfindungsgemäß wird ein Drelizaffisteuersystem für einen Aufzug unter
Verwendung eines von einem Wechseirichter angesteuerten
Asynchronmotors geschaffen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es aufweist:
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eine Schlupfverarbeitungsschaltung, die auf ein ermitteltes
Gleichstromsignal mit einem Betrag, der kennzeichnend für die
Gleichleistungseingabe in den Wechseirichter ist, anspricht, um ein Schlupffrequenzsignal
bereitzustellen; und
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eine Steuereinrichtung, die auf ein vorgegebenes Drehzahlprofil und das
Schlupffrequenzsignal anspricht, um ein Ausgangsmoment und ein
Lastmoment des Motors aus der Schlupffrequenz zu ermitteln, und um die
Ist-Drehzahl des Motors aus den Drehmomentbestimmungen zu
ermitteln, um Wechselrichterfrequenz- und -spannungssteuersignale in der
Weise bereitzustellen, daß die Ist-Drehzahl genauso groß wird wie die
durch das vorgegebene Drehzahlprofilsignal vorgegebene Drehzahl.
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Damit kann eine Offenschleifensteuerung grundsätzlich verbessert
werden, und insbesondere kann sie im Hinblick auf die Genauigkeit der
Anhalteposition verbessert werden.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein
Drehzahlsteuersystem für einen einen Wechseirichter zum Ansteuern eines
Asynchronmotors verwendenden Aufzug dadurch gekennzeichnet, daß es eine
Schlupfverarbeitungsschaltung zum Ermitteln einer Schlupffrequenz des
Motors durch Messen der Gleichstromeingabe in den
Wechselrichterhauptschaltungskreis sowie ein Steuergerät aufweist, welches auf ein
vorgegebenes Drehzahlprofilsignal anspricht, um ein Ausgangsmoment
und ein Lastmoment des Motors auf dem Schlupffrequenzsignal zu
ermitteln und die Drehzahl des Motors in der Weise zu berechnen, daß
das Steuergerät eine Wechselrichterfrequenz- und -spannungssteuerung in
der Weise vornehmen kann, daß das Ist-Drehzahlmuster identisch ist mit
dem vorgegebenen Drehzahlmuster, und zwar mit Hilfe einer
gesteigerten Steuerung der Schlupffrequenz entsprechend dem Lastmoment
während der Beschleunigung und der Bewegung mit konstanter
Geschwindigkeit; und bei der Verzögerungs-Startposition kann das Steuergerät
eine solche Wechselrichterfrequenz- und -spannungssteuerung
vornehmen, daß das Ist-Geschwindigkeitsmuster identisch ist mit dem
vorgegebenen Geschwindigkeitsmuster, indem eine zusätzliche Steuerung der
Schlupffrequenz entsprechend dem Lastmoment erfolgt.
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Ein Drehmomentstrom wird aus dem in den Wechseirichter
eingespeisten Gleichstrom ermittelt, und aus dem Drehmomentstrom erhält
man die Schlupffrequenz. Daraus wiederum erhält man ein
Motorausgangsmoment und ein Lastmoment durch das Verhältnis der
Schlupffrequenz und der Drehzahl, und man gewinnt die benötigte
Wechseirichterfrequenz und -spannung. Während der Beschleunigungsphase sowie
dem Betrieb mit konstanter Drehzahl erfolgt eine Kompensation
entsprechend einer Lücke zwischen dem Drehzahlmuster und der Drehzahl
gemäß der oben angesprochenen Prozedur, während bei der
Verzögerung die Wechselrichterfrequenz und die Wechseirichterspannung
erzeugt werden, die benötigt werden, um eine Verzögerungssteuerung
entsprechend dem Drehzahlmuster vorzunehmen.
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Wie oben erläutert, erfolgt erfindungsgemäß deshalb, weil die
Schlupffrequenz aus dem in den Wechseirichter eingespeisten Gleichstrom und
dem Lastmoment erhalten wird und die Frequenz und die Spannung des
Wechselrichters ermittelt werden, die Steuerung in der gleichen Weise,
wie es von dem Drehzahlmuster vorgegeben wird, indem die Steuerung
basierend auf dem Drehmoment verstärkt wird, welches dem
Lastmoment während der Beschleunigungs- und Konstantgeschwindigkeits-
Steuerung entspricht, während die erforderliche
Wechselrichterfrequenz/spannung während der Verzögerung berechnet werden, so daß eine
präzise Anhaltesteuerung und eine Beschleunigung/Verzögerung erhalten
werden, die in der Praxis der Regelung gleichkommt, ohne daß das
Erfordernis eines Drehzahlfählers besteht.
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Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich deutlicher im Licht der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung
einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung;
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Figur 2 ist ein Wellendiagramm wichtiger Kennlinien und Signale aus
Figur 1.
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Figur 1 ist ein Blockdiagramm, welches einen Ausführungsform der
Erfindung zeigt. Strom aus einer Wechselstromquelle 1 wird von einem
Gleichrichter 2 in Gleichleistung umgesetzt und von einem Kondensator
3 geglättet. Diese elektrische Gleichleistung wird von einer Spannungs
Wechselrichterhauptschaltung 4 in elektrische Wechselleistung mit
geregelter Frequenz und Spannung umgesetzt und einem Asynchronmotor 5
zugeführt, der als Antriebsmotor für einen Aufzug fungiert. Das
Regulieren der Frequenz und der Spannung in der
Wechselrichterhauptschaltung 4 erfolgt anhand eines Signals auf einer Leitung 7a von einem
Regler 6. Das Signal auf der Leitung 7a steuert die Drehzahl des Motors
5 mit Hilfe des Pulsbreitensteuerverfahrens.
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Ein Drehzahl-Sollsignal auf einer Leitung 7b wird dem Regler 6
zugeführt und kann die Gestalt eines Drehzahlmusters mit vorbestimmten
Perioden der Beschleunigung und der Verzögerung, getrennt durch eine
von der zurückzulegenden Fahrstrecke abhängigen konstanten
Geschwindigkeit, aufweisen. Der Regler 6 bestimmt die benötigte
Wechselrichterfrequenz- und -spannung aus der Drehzahlvorgabe, und er ermittelt den
Betrag eines Schlupffrequenzsignals (5) auf einer Leitung 7c mit Hilfe
des Betriebs einer Schaltung 7. Die Schaltung 7 spricht auf ein
abgefühltes Gleichstromsignal auf der Leitung 8 an, welches von einem
Stromfühler 9 kommt. Bei dem oben erläuterten System weist der Gleichstrom
IDC der Wechselrichterhauptschaltung 4 eine proportionale Beziehung zu
dem Drehmomentstrom IT folgende Gestalt auf:
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IDC = (IB + IT)K ---(1)
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IB: Strom-Äquivalent zum Erregerverlust
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K: Eine Konstante, die sich durch das Verhältnis der
Wechselspannung und der Gleichspannung bestimmt.
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Genau genommen, existiert keine perfekte proportionale Relation
aufgrund der Änderungen in der Drehzahl des Motors, Änderungen des
Primärstroms und dgl., wenngleich Ergebnisse, die von dieser proportio
nalen Relation Gebrauch machen, in der Praxis akzeptabel sind.
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Aus der Beziehung obiger Gleichung (1) berechnet die
Schlupfberechnungsschaltung 7 den Drehmomentstrom IT aus dem Meßwert des
Gleichstroms IDC (der von dem Fühler 9 erfaßte Strom kann auch zum
Überstronmachweis und dgl. benutzt werden).
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Das Ausgangsmoment des Motors TM ist proportional zu dem
Drehmomentstrom IT, so daß aus Gleichung folgt:
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TM∞IDC -IB.
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Das Motor-Ausgangsdrehrnoment TM und der Schlupf 5 sind annähernd
proportional, es gilt also S ∞ TM und S ∞ IDC - IB.
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Außerdem berechnet der Regler 6 das Motor-Ausgangsmoment TM aus
dem Schlupf S, und aus dem Ausgangsmornent TM wird das Lastrnoment
TL gemäß folgender Gleichung berechnet:
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TL = TM - Tacc ---(2)
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wobei
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Tacc = Beschleunigungsmoment, wie es sich durch das polare
Trägheitsmoment (Wk²) und das Beschleunigungsmuster bestimmt.
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Außerdem werden die Wechselrichterfrequenz FM und -spannung VM mit
dem Schlupf S zum Erzeugen des Lastmoments TL gemäß folgender
Gleichung berechnet:
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FM = FR(NM/NR + S) ---(3)
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VM = VRNM/NR + SVz ---(4)
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wobei
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FR = Motor-Nennfrequenz,
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NR = Motor-Nenndrehzahl
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VR = Motor-Nennspannung und
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VZ =Impedanz-Spannungsabfall bei der Frequenz FM.
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Durch Einstellen der Frequenz FM und der Spannung VZ führt der Regler
6 eine verstärkte Steuerung bzgl. der Zeit durch die Hinzufügung des
Schlupfs S aus. Dies soll im folgenden weiter vertieft werden.
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Erstens ist bei Aufzügen mittlerer und geringerer Geschwindigkeit das
Geschwindigkeitsmuster für die Beschleunigung und die Verzögerung
festgelegt. Der Betrieb wiederholt dieses Geschwindigkeitsmuster und
die konstante Geschwindigkeit (abhängig von dem gewünschten
Geschoß), und außerdem ist der Verzögerungspunkt
(Verzögerungsstrecke) für das gewünschte Geschoß festgelegt. Deshalb läßt sich die
Anhalteposition der Fahrgastkabine präzise dadurch steuern, daß man
mit der gleichen Geschwindigkeitskurve verzögert, d.h. beim gleichen
Verzögerungsstart beginnt und von dieser Geschwindigkeit ausgehend
die gleiche Verzögerung vorsieht, unabhängig von der Last.
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Bei der Verzögerung mit gleicher Geschwindigkeitskurve ist eine solche
Steuerung erforderlich, die die Ist-Geschwindigkeit und das
Geschwindigkeitsmuster identisch macht, und deshalb führt das Steuergerät 6 die
gesteigerte Steuerung mit dem Schlupf S aus, wie in Figur 2 gezeigt ist.
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In Figur 2(a) beginnt das Steuergerät 6 mit der Beschleunigung und der
Steuerung der Wechselrichterfrequenz f und der Wechselrichterspannung
gemäß dem Beschleunigungsmuster der zugewiesenen Geschwindigkeit A
als Sollgeschwindigkeit, und die Schlupfverarbeitungsschaltung 7 führt
eine Abtastung des Gleichstroms IDC während der Zeit von t1, was eine
vorbestimmte Position während der Beschleunigung ist, bis zu t2 aus.
Diese Abtastzeitspanne entspricht einem Geschwindigkeitsbereich, in
dem die Bewegung relativ stabil ist und ein wiederholter Detektierfehler
einen Minimalwert hat. Dies ist aus Figur 2(b) ersichtlich. Das Motor-
Ausgangsmoment TM wird durch das Schlupffrequenzsignal (S) auf der
Leitung 7(c) in Figur 1 durch die Schlupfverarbeitungsschaltung
berechnet, und das Lastmoment TL wird aus dem Ausgangsmoment mit Hilfe
von Gleichung (2) berechnet. Dann werden die für das Lastmoment TL
benötigte Frequenz FM und die Spannung VM aus den Gleichungen (3)
und (4) berechnet, und die Steuerung des Wechselrichters erfolgt
entsprechend der Frequenz FM und der Spannung VM.
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Aufgrund einer solchen Steuerung wird während der Beschleunigung die
Lücke zwischen dem Geschwindigkeitsmuster A und der
Istgeschwindigkeit B gemäß Figur 2(a) kompensiert, um dadurch die Istgeschwindigkeit
B dem Geschwindigkeitsmuster A nahezubringen. Bei dieser
Kompensation wird eine plötzliche Drehmornentänderung dadurch verändert, daß
die vorgesehene Kompensation durch eine graduelle Zunahme mit
konstanter Geschwindigkeit erfolgt, wie dies durch das
Kompensationsausgangssignal in Figur 2(c) angedeutet ist. In Figur 2(a) gibt die Kurve C
Geschwindigkeitsänderungen ohne Kompensation an.
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Für die Bewegung nach Beendigung der Beschleunigung erfolgt das
Abtasten des Gleichstroms IDC erneut und endet im Zeitpunkt t&sub3; gemäß
Figur 2(b); das Motordrehmoment TM und das Lastmoment T&sub1; werden
aus diesem Strom IDC wie im Fall der Beschleunigung errechnet, und es
erfolgt eine Kompensationssteuerung, um den Fehler zwischen dem
vorgegebenen Geschwindigkeitsmuster A und der Ist-Geschwindigkeit B
zu kompensieren. Diese Kompensationssteuerung wird graduell erneut
mit einer konstanten Rate durchgeführt, wie dies direkt hinter der Zeit t&sub3;
in Figur 2(c) gezeigt ist. Die Kompensation während der Bewegung mit
konstanter Geschwindigkeit eröffnet die Möglichkeit, eine durch
mögliche Einflüsse anderer Faktoren während der Beschleunigung
bedingte Über- oder Unterkompensation auszugleichen.
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Wenn der Aufzug den Verzögerungs-Start im Zeitpunkt t&sub4; erreicht,
erfolgt die Steuerung des Wechselrichters mit der Frequenz FM und der
Spannung VM durch Hinzufügung des Schlupfs S entsprechend dem
Lastmoment TL, welches während der Beschleunigung und der
Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit berechnet wurde, sowie der
Impedanz-Spannung VZ zu der Spannung/Frequenz entsprechend dem
Geschwindigkeitsmuster A und dann der Frequenz FM und der Spannung V,
so daß die durch das Geschwindigkeitsmuster A vorgegebene
Verzögerung realisiert und ein Stopp an der gewünschten Stelle ebenfalls
realisiert wird.
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Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, erfolgen der Nachweis
des Lastmoments und die Durchführung der Kompensation ruckfrei,
wobei der Vorgang während der Beschleunigung nahezu vollendet wird,
was jegliche übermäßige Störungen für die Fahrgäste während der Fahrt
mit konstanter Geschwindigkeit verringert. Indem das Muster während
der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit präzise ausgeführt wird,
ist das Ausmaß der Korrektur graduell und geringfügig, was die für die
Korrektur benötigte Zeit verringert. Jegliche Störung ist mimmal, auch
für Fahrten über kurze Strecken. Da außerdem der Offenschleifen
Charakter des Steuersystems gegeben ist, erreicht man eine relativ
stabile Steuerung im Vergleich zu einem Rückkopplungssystem, bei dem es
möglicherweise zu einer Resonanz mit dem mechanischen System
kommt, was den Komfort während der Aufzugfahrt beeinträchtigt.
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Bei der oben beschriebenen Steuerung ist es zulässig, den Schlupf S aus
den Musterdaten zu berechnen. Bei der Verzögerungssteuerung kann
durch Ändern des dem Lastmoment TL entsprechenden Werts basierend
auf der Geschwindigkeitsänderung die Verzögerungskurve so gestaltet
werden, daß ein geringerer Abstand zu dem Geschwindigkeitsmuster
besteht. Darüberhinaus ist die Lastabtastung T&sub3; nicht auf einen
einmaligen Vorgang beschränkt, bspw. kann eine Mittelwert-Korrektur nach
kontinuierlichen Detektiervorgängen zufriedenstellend sein.