DE69107184T2 - Inverter bridge and method of using it. - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wechselrichterbrücke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und deren Verwendung.The present invention relates to an inverter bridge according to the preamble of claim 1 and its use.
In Kränen wird ein Schräglaufen durch Unterschiede zwischen den Rotationsgeschwindigkeiten der Vorschubmotoren des Krans verursacht. Diese Unterschiede beruhen auf den Lastmomenten verschiedener Motoren, motorspezifischen Schlupfrelationen und Unterschieden in den Impedanzen der Zuführungskabel.In cranes, skew is caused by differences between the rotation speeds of the crane's feed motors. These differences are due to the load torques of different motors, motor-specific slip relations and differences in the impedances of the feed cables.
Ein Schräglaufen kann ebenfalls aus Unterschieden in der Abnutzung und Reibung der Tragräder des Krans resultieren, aus Schmutzablagerungen an den lastaufnehmenden Oberflächen oder aus einem Schlupf während eines Bremsvorgangs etc..Skew can also result from differences in the wear and friction of the crane’s support wheels, from dirt deposits on the load-bearing surfaces or from slippage during braking, etc.
Derzeit wird die Korrektur des Schräglaufs von Kränen durch Verwendung separater Frequenzwandler bewerkstelligt, in denen jeweils eine Wechselrichterbrücke einen eigenen Vorschubmotor speist. In vormals bekannten Lösungen wurde der Schräglauf gemäß der Darstellung in Fig. 1 durch die Verwendung einer Steuereinheit korrigiert, die die erforderlichen Messungen, Ergebnisvergleiche und Steuerfunktionen übernimmt, die von jeder Wechselrichterbrücke gefordert werden.Currently, the correction of crane skew is accomplished by using separate frequency converters, in which each inverter bridge feeds its own feed motor. In previously known solutions, skew was corrected as shown in Fig. 1 by using a control unit that performs the necessary measurements, result comparisons and control functions required by each inverter bridge.
Es ist ebenfalls möglich, die Stahlstruktur des Krans derart zu versteifen, daß ein Schräglauf verhindert wird. Dies bisweilen das Prinzip, das mit dem mechanischen Kran-Design verfolgt wird.It is also possible to stiffen the steel structure of the crane in such a way that it cannot tilt. This is sometimes the principle followed in mechanical crane design.
Die bekannten Lösungen weisen jedoch folgende Nachteile auf:However, the known solutions have the following disadvantages:
Um die in allen Fällen erforderliche Struktursteifigkeit des Krans zu erzielen, ist es notwendig, entweder überdimensionale Kranstrukturen oder spezielle Konstruktionen anstelle von Standardlösungen zu verwenden.In order to achieve the structural rigidity of the crane required in all cases, it is necessary to use either oversized crane structures or special designs instead of standard solutions.
Weil keine kostengünstige und zuverlässige Methode zum Verhindern des Schräglaufs existiert, bestellen Krankonstrukteure komplexere mechanische Konstruktionen, als sie von den Grundfunktionen des Krans her erforderlich wären.Because no cost-effective and reliable method exists to prevent skew, crane designers order more complex mechanical designs than are required by the basic functions of the crane.
Ein verstärkter Einsatz von Fernbedienung (sowohl in Fällen neuer Kräne als auch bei Modernisierungen) stellt zusätzliche Anforderungen an die Verhinderung des Schräglaufs, weil die unmittelbare (örtliche) Überwachung und Steuerung durch den Kranoperator entweder fehlt oder unzureichend ist. In diesem Fall wird ein schnelles und automatisches Verfahren zur Verhinderung des Schräglaufs erforderlich.Increased use of remote control (both in cases of new cranes and modernizations) places additional demands on preventing skew because the immediate (local) monitoring and control by the crane operator is either missing or insufficient. In this case, a fast and automatic method for preventing skew is required.
In den meisten Fällen basiert die Automation auf einer vorbestimmten Positionierungsexaktheit, welche ein entscheidender Faktor bezüglich der Automatisierungskosten sein kann. Zusätzlich zur Verhindung mechanischer Nachteile, die aus dem Schräglauf resultieren, erfordern diese Anwendungen generell einen präzise getimten Ausgleich zwischen den Enden des Krans, um eine hinreichend große Lastpositioniergenauigkeit zu erzielen.In most cases, automation is based on a predetermined positioning accuracy, which can be a decisive factor in terms of automation costs. In addition to avoiding mechanical disadvantages resulting from skew, these applications generally require a precisely timed balancing between the ends of the crane in order to achieve a sufficiently high load positioning accuracy.
Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Lösungen zu beseitigen. Erfindungsgemäß können die Rotationsgeschwindigkeiten von Motoren (oder Motorgruppen), die von Wechselrichterbrücken gespeist werden, unabhängig voneinander eingestellt oder korrigiert werden, indem in die Leistungsstufe der Wechselrichterbrücke ein Zweig addiert wird, der parallel zu dem Schaltkomponentenpaar verläuft, das eine der Phasen speist. Somit sind in dem Dreiphasensystem zur Speisung jedes Motors zwei Phasen identisch ausgebildet, während die Spannung der dritten Phase separat eingestellt werden kann.The aim of the present invention is to eliminate the disadvantages of the known solutions. According to the invention, the rotation speeds of motors (or groups of motors) fed by inverter bridges can be set or corrected independently of each other by adding to the power stage of the inverter bridge a branch that runs parallel to the pair of switching components that feeds one of the phases. Thus, in the three-phase system for feeding each motor, two phases are identical, while the voltage of the third phase can be set separately.
Die Erfindung ermöglicht die folgenden Vorteile im Vergleich zu den bislang bekannten Techniken: Die erfindungsgemäße Lösung der Wechselrichterbrücke und deren Steuersystem sind kompakt, die Anzahl der darin verwendeten Halbleiterkomponenten ist geringer und ihre Steuerung einfacher als in bislang bekannten Lösungen.The invention enables the following advantages in comparison with previously known techniques: The inventive solution of the inverter bridge and its control system are compact, the number of semiconductor components used therein is lower and their control is simpler than in previously known solutions.
Nachfolgend wird die Erfindung detailliert unter Zuhilfenahme eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:The invention is described in detail below with the aid of an example with reference to the accompanying drawing. In this drawing:
Fig. 1 eine Lösung nach dem Stand der Technik unter Verwendung separater Wechselrichterbrücken;Fig. 1 a state-of-the-art solution using separate inverter bridges;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Lösung unter Verwendung einer einzigen Wechselrichterbrücke;Fig. 2 shows a solution according to the invention using a single inverter bridge;
Fig. 3 die Messung des Schräglaufs, undFig. 3 the measurement of the skew, and
Fig. 4 eine andere Art zur Messung des Schräglaufs.Fig. 4 another way to measure the skew.
Fig. 1 zeigt eine bislang bekannte Anordnung für die Korrektur des Kranschräglaufs unter Verwendung von Wechselrichtern. Die Anordnung enthält zwei Kurzschlußläufermotoren 3 (M1) und 4 (M2), von denen jeder seinen eigenen Vorschubmechanismus antreibt. Jeder Motor wird durch einen Wechselrichter gespeist, der eine symmetrische Dreiphasen-Speisespannung bereitstellt, wobei Motor 3 (M1) von dem Wechselrichter 1 und Motor 4 (M2) durch den Wechselrichter 2 gespeist wird. Wechselrichter 1 wird gesteuert durch eine Steuereinheit 9 und Wechselrichter 2 durch die Steuereinheit 10. Die Schaltungen zur Generierung der Gleichspannung zur Speisung der Wechselrichter und auch das normale Wechselrichter-Steuerungssystem sind in Fig. 1 nicht dargestellt.Fig. 1 shows a previously known arrangement for correcting crane skew using inverters. The arrangement contains two squirrel-cage motors 3 (M1) and 4 (M2), each of which drives its own feed mechanism. Each motor is fed by an inverter providing a symmetrical three-phase supply voltage, motor 3 (M1) being fed by inverter 1 and motor 4 (M2) by inverter 2. Inverter 1 is controlled by a control unit 9 and inverter 2 by control unit 10. The circuits for generating the DC voltage to feed the inverters and also the normal inverter control system are not shown in Fig. 1.
Die Position des von jedem Vorschubmechanismus angetriebenen Kranteils wird durch eine Positionsmeßeinheit 6, 7 gemessen. Die durch diese Einheiten erhaltene Information wird in einer Vergleichs-/Korrektureinheit 8 mit der Information der anderen Einheit verglichen. Die Vergleichs-/Korrektureinheit 8 gibt einen Schräglauf-Korrektur-Steuerbefehl an die Steuereinheit 9 und/oder 10, welche die Transistoren T1 bis T6 und T7 bis T12 der Brücken steuert.The position of the crane part driven by each feed mechanism is measured by a position measuring unit 6, 7. The information obtained by these units is compared in a comparison/correction unit 8 with the information of the other unit. The comparison/correction unit 8 gives a skew correction control command to the control unit 9 and/or 10, which controls the transistors T1 to T6 and T7 to T12 of the bridges.
Die aus dem Schräglauf resultierende Abweichung kann ebenfalls in lediglich einem Kranteil gemessen werden, in welchem Fall kein Vergleich erforderlich ist und der Schräglauf durch Steuerung lediglich eines der Inverter korrigiert werden kann.The deviation resulting from the skew can also be measured in only one crane part, in which case no comparison is required and the skew can be corrected by controlling only one of the inverters.
Bei der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Lösung wird eine einzige Dreiphasen-Wechselrichterbrücke 1' verwendet, um beide Motoren 3' und 4' zu speisen. Die Brücke enthält Transistoren T1' bis T6', wie die Brücke 1 zur Speisung des Motors 3 in Fig. 1. Darüber hinaus wird parallel zu dem Transistorpaar T3', T6' ein zusätzlicher Zweig bestehend aus den Transistoren T7' und T8' parallel verbunden. Somit werden in zwei Phasen der Brücke der gleiche Zweig und daher die gleichen Transistoren T1', T2', T4' und T5' mit beiden Motoren verbunden. In einer Phase werden die Transistoren T3' und T6' des ersten Zweiges mit dem ersten Motor 3' verbunden, während die Transistoren T7' und T8' des zweiten Zweiges, der parallel zum ersten Zweig liegt, mit dem zweiten Motor 4 verbunden werden.In the solution according to the invention shown in Fig. 2, a single three-phase inverter bridge 1' is used to feed both motors 3' and 4'. The bridge contains transistors T1' to T6', like the bridge 1 feeding the motor 3 in Fig. 1. In addition, an additional branch consisting of transistors T7' and T8' is connected in parallel to the transistor pair T3', T6'. Thus, in two phases of the bridge, the same branch and therefore the same transistors T1', T2', T4' and T5' are connected to both motors. In one phase, transistors T3' and T6' of the first branch are connected to the first motor 3', while transistors T7' and T8' of the second branch, which is parallel to the first branch, are connected to the second motor 4.
In Fig. 2 wird die Position des Krans oder seiner Teile durch die Positionsmeßeinheiten 6' und 7' gemessen, deren Ausgangssignale in einer Vergleichs-/Korrektureinheit 8' miteinander verglichen werden zur Ableitung eines Schräglauf-Korrekturbefehls an die Steuereinheit 9', welche die Halbleiterschalter der erfindungsgemäßen Brücke 1' steuert.In Fig. 2, the position of the crane or its parts is measured by the position measuring units 6' and 7', whose output signals are compared with each other in a comparison/correction unit 8' to derive a skew correction command to the control unit 9', which controls the semiconductor switches of the bridge 1' according to the invention.
Der Unterschied zu bislang bekannten Techniken besteht darin, daß die Anzahl der Halbleiterschalter in der Brücke 1' geringer ist als die Gesamtzahl der Halbleiterschalter in den Brücken 1 und 2 aus der bekannten Lösung der Fig. 1. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die Brücke in der erfindungsgemäßen Lösung lediglich eine Steuereinheit 9' erfordert, wohingegen die bislang bekannte Lösung der Fig. 1 für die Korrektur des Schräglaufs zwei Steuereinheiten 9 und 10 benötigte.The difference from previously known techniques is that the number of semiconductor switches in the bridge 1' is less than the total number of semiconductor switches in the bridges 1 and 2 from the known solution in Fig. 1. A further difference is that the bridge in the solution according to the invention only requires one control unit 9', whereas the previously known solution in Fig. 1 required two control units 9 and 10 for the correction of the skew.
Die Steuerung der Brücke 1' kann implementiert werden durch Verwendung einer separaten Einstellung, um z.B. eine asymmetrische Statorspannungsbegrenzung zu erzeugen, indem die Spannung in einer der Phasen reduziert wird, in welchem Fall die Rotationsgeschwindigkeit frei (unabhängig) eingestellt werden kann, obwohl die Basisfrequenz konstant bleibt. In diesem Fall basiert die Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit auf der Reduktion des Höchstmoments und dem Abflachgradienten (flatter gradient) der Drehmomentkurve des Motors.The control of the bridge 1' can be implemented by using a separate setting to create e.g. an asymmetric stator voltage limitation by reducing the voltage in one of the phases, in which case the rotation speed can be freely (independently) adjusted, although the base frequency remains constant. In this case The setting of the rotation speed is based on the reduction of the maximum torque and the flatter gradient of the torque curve of the motor.
Fig. 3 veranschaulicht die Messung des Schräglaufs. Die Kranstruktur besteht aus einem im wesentlichen steifen Hauptträger 11 und Kranköpfen 12a und 12b. Der Kran bewegt sich auf einem Paar im wesentlichen paralleler Schienen 13a und 13b. Der Kran ist in einer Schräglaufposition dargestellt, d.h. der gesamte Kran ist horizontal um einen kleinen Winkel bezüglich der Schienen verdreht. Die Hebeeinrichung des Krans ist nicht dargestellt.Fig. 3 illustrates the measurement of skew. The crane structure consists of a substantially rigid main beam 11 and crane heads 12a and 12b. The crane moves on a pair of substantially parallel rails 13a and 13b. The crane is shown in a skew position, i.e. the entire crane is twisted horizontally by a small angle with respect to the rails. The lifting device of the crane is not shown.
Der Schräglauf des Krans wird ermittelt durch Messung der Position des Kopfes 12a oder 12b relativ zur Schiene 13a oder 13b oder zu anderen festen Strukturen mittels Näherungs- bzw. Abstandsdetektoren oder Näherungsschaltern 14.The skew of the crane is determined by measuring the position of the head 12a or 12b relative to the rail 13a or 13b or to other fixed structures by means of proximity or distance detectors or proximity switches 14.
Die Korrektur des Schräglaufs kann in der Weise durchgeführt werden, wie sie in der Beschreibung der Fig. 2 beschrieben wurde, z.B. durch Begrenzung der Spannung, die dem den vorlaufenden Krankopf antreibenden Vorschubmotor solange zugeführt wird, bis der Schräglauf korrigiert ist, d.h. bis die Köpfe 12a und 12b in einer bezüglich der Schienen 13a und 13b parallelen Position sind.The correction of the skew can be carried out in the manner described in the description of Fig. 2, e.g. by limiting the voltage supplied to the feed motor driving the advancing crane head until the skew is corrected, i.e. until the heads 12a and 12b are in a parallel position with respect to the rails 13a and 13b.
Fig. 4 zeigt ein anderes Prinzip der Schräglaufmessung bei Kränen. In diesem Fall kann sich der Kran nicht horizontal drehen wie in Fig. 3. Die Kranköpfe 15a und 15b verbleiben im wesentlichen in Richtung der Schienen 13a und 13b orientiert, jedoch werden aufgrund des Schräglaufs die Kranstrukturen selbst nun einer Verspannung oder Positionsänderung unterworfen.Fig. 4 shows a different principle of measuring skew in cranes. In this case, the crane cannot rotate horizontally as in Fig. 3. The crane heads 15a and 15b remain essentially oriented in the direction of the rails 13a and 13b, but due to the skew, the crane structures themselves are now subjected to a tension or change in position.
Ein oder zwei der Kranköpfe 15a und 15b können drehbar an dem Hauptträger 16 gelagert sein, und der Unterschied zwischen den Positionen des Hauptträgers 16 und den Köpfen 15a und 15b wird durch Verschiebungs(oder Weg)-Detektoren 17a und 17b gemessen. Selbstverständlich kann dieser Unterschied auch mittels eines Rotationsdetektors gemessen werden, der in der Verbindung zwischen dem Hauptträger und dem Kopf angeordnet ist. Der Schräglauf kann ebenfalls einen Spannungszustand in den Kranstrukturen hervorrufen, und dieser kann mittels geeigneter Detektoren erfaßt werden, die auf der Stahlstruktur montiert sind, um die Höhe der Verspannung in der Struktur zu messen. Die Detektoren können auf dem Hauptträger 16 angeordnet oder auf den Tragteilen des Krankopfes angebracht sein. Sie können ebenfalls in einer separaten Meßstange angeordnet sein, die entsprechend der Position der oben genannten Verschiebungsdetektoren 17a und 17b angeordnet ist.One or two of the crane heads 15a and 15b may be rotatably mounted on the main beam 16, and the difference between the positions of the main beam 16 and the heads 15a and 15b is measured by displacement (or path) detectors 17a and 17b. Of course, this difference may also be measured by means of a rotation detector arranged in the connection between the main beam and the head. The skew may also induce a stress condition in the crane structures and this may be detected by means of suitable detectors mounted on the steel structure to measure the amount of stress in the structure. The detectors may be arranged on the main beam 16 or mounted on the supporting parts of the crane head. They may also be arranged in a separate measuring rod arranged according to the position of the above-mentioned displacement detectors 17a and 17b.
Die Korrektur des Schräglaufs im Fall der Fig. 4 wird in gleicher Weise wie in Fig. 3 durchgeführt.The correction of the skew in the case of Fig. 4 is carried out in the same way as in Fig. 3.
Die Kräne in Fig. 3 oder Fig. 4 können unterschiedlichen Konstruktionstypen entsprechen, z.B. Halbportal- oder Portalkräne mit z.B. A-Portalköpfen.The cranes in Fig. 3 or Fig. 4 can correspond to different design types, e.g. semi-portal or gantry cranes with e.g. A-portal heads.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß unterschiedliche Ausführungen der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt sind, sondern innerhalb des Schutzbereichs der nachfolgenden Ansprüche variieren können.It is obvious to the person skilled in the art that different embodiments of the invention are not limited to the examples described above, but can vary within the scope of the following claims.
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