DE8716049U1

DE8716049U1 - Antriebsvorrichtung

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Publication number: DE8716049U1
Application number: DE8716049U
Authority: DE
Original assignee: Werac Elektronik 6729 Woerth De GmbH
Current assignee: Werac Elektronik 6729 Woerth De GmbH
Priority date: 1987-12-04
Filing date: 1987-12-04
Publication date: 1988-02-04

Description

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Anmelder: Werac Elektronik GmbH.* Worth; DE

Antriebsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, insbesondere für fördertechnische Zwecke und Töraritriebe mit einem Elektromotor, einer Drehzahlregelung zum sanften Abbremsen der Antriebsbewegung und einer im Betrieb mit dem Elektromotor gekoppelten Federdruckbremse, die eine Wicklung zur elektromagnetischen Lüftung der Bremse aufweist i

In der Antriebstechnik ist es häufig erforderlich, den Übergang vom Stand in die gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit möglichst sanft, also ohne plötzliche Beschleünigun'gsspitzen; zu gestalten. Dies gilt sowohl für die positive Beschleunigung beim Anfahren der Antriebsvorrichtung als auch für die negative Beschleunigung/ wenn die Vorrichtung angehalten wird.

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Die Erfindung richtet sich insbesondere auf Anwendungsfällsj-, bei denen-für verhältnismäßig kurze Zeit große An-'■.triebs- und Bremskräfte benötigt werden (Kurzzeitbetrieb) . Im Bereich der Fördertechnik gehören hierzu beispielsweise Aufzüge und Aktenpaternoster»

Bekannte Antriebsvorrichtungen haben vielfach eine Federdruckbremse , die mit dem Elektromotor gekoppelt ist* Sie dient beispielsweise bei Aufzügen als Sicherheitsbremse, ■um den Aufzug auch bei Stromausfall festzuhalten. Die reibenden Elemente der Bremse werden im stromlosen Zustand von der Feder gegeneinander gedrückt. Zürn Lösen dient ein elektromagnetischer Antrieb mit einer Wicklung. In ihrem Magnetfeld bewegt sich ein Kern, der mit einem der reibenden Elemente der Bremse, üblicherweise einem auf eine _t Bremsscheibe wirkenden Bremsklotz gekoppelt ist. Derartige Bremsen werden beispielsweise von der Firma Karl E. Brinkmann GmbH., Barntrup, Bundesrepublik Deutschland, vertrieben.

Die Federdruckbremsen werden üblicherweise im reinen Ein-Aus-Betrieb eingesetzt. Im stromlosen Zustand der Bremswicklung wirkt die volle Bremskraft. Im stromführenden Zu- %J stand dagegen ist die Bremse vollständig gelöst ("gelüftet"i) Entsprechend setzt die Bremswirkung plötzlich ein> so daß kein sanftes Abbremsen erreicht wird.

Ein sanftes Abbremsen läßt sich mit Hilfe einer Motor-Drehzahl rege lung, erreichen. Für die beschriebenen Anwendungszwecke werden insbesondere Asynchronmotoren, Vor allem Kurzschlußläufermotoren_r eingesetzt. Da ihre Drehzahl sich weitgehend steif mit der Antriebsfrequenz ändert, können

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diese Mqtersn mit Hilie eines vorgeschalteten Frequeri/zumfQrmers sehr genau und mit hohen Bremskräften geregelt werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig/ irisbesondere wenn Motoren mit mittleren bis größeren Lei:- etungen oberhalb etwa 0,-2 kW eingesetzt werden. Eine Alternative ist die Verwendung eines Drehstromstellers zum Antreiben und die Einspeisung Von Gleichstrom in die Motor- ^ wicklung zum Bremsen. Diese Lösung erfordert jedoch eben-,falls einen größen schaltürigstechnischen Aufwand. '_

Um eine Antriebsvorrichtung der eingangs bezeichneten Art mit einwandfreiem Anlauf-- Und Abbremsverhalten bei verringertem Aufwand zur Verfügung zu stellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein mit der Antriebsvorrichtung gekoppelter Drehzahl-Istwertgeber vorgesehen ist und die Regelung eine Bremsregelungselektronik einschließt, von der die Spannungsversorgung der Bremswicklung in Abhängigkeit von dem Signal des Drehzahl-Istwertgebers und eines Sollwertgebers geregelt wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß ein überraschend sanftes Abbremsen der Antriebsbewegung aus der normalen Betriebsgeschwindigkeit auf eine Schleichgeschwindigkeit durch elektronische Regelung der elektro- »agnetischen Lüftung der Bremse erreicht werden kann.

Die erfindungsge-T'Hße Losung ist mit geringem Aufwand zu realisieren. Dies gilt vor allem be^ solchen Anwendungsfällen, bei denen auch bisher schon eine elektromagnetisch te Federdruckbremse verwendet*

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Die erfindungsgemäße Drehzahlregelung kann auch beim Beschleunigen der Antrxebsbewegung erfolgreich eingesetzt werden, um ein besonders sanftes Anfahren der Antriebsvorrichtung zu erreichen.

Das Regelungsverhalten läßt sich im angesprochenen Sinne durch eine Reihe bevorzugter Maßnahmen weiter verbessern, die einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können.

Als Drehzahl-Istwertgeber kann ein Analoggeber (Tachogenerator) eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch ein Digitalgeber, beispielsweise in Form einer Schlitzscheibe, die sich in einer Lichtschranke dreht. Bevorzugt sollte ein digitaler Drehzahl-Istwertgeber mindestens Impulse/ see. erzeugen. Dies entspricht bei einem zweipoligen Asynchronmotor, der bei 50 Hz Netzfrequenz mit 3000 Umdrehungen/min, lauft, mindestens 10 Impulsen pro Umdrehung.

Bei einem vierpoligen Motor, der nur mit halber Drehzahl läuft, sollten doppelt so viel Impulse pro Umdrehung erzeugt werden. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der digitale Drehzahlgeber mindestens 2000 Impulse /see bei Normalgeschwindigkeit des Motors erzeugt.

Die Bremswieklung wird vorzugsweise mit Gleichstrom gespeist, Dabei ist auf eine geringe Restwelligkeit der Spannungs-

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Versorgung zu achten. Sie sollte vorzugsweise unter 5 % liegen. Dabei ist es vorteilhaft, die Versorgungsspannung durch Drehstromgleichrichtung zu erzeugen. Spannungsspitzen sollten verzögerungsfrei geglättet werden. Dies kann z.B. durch Abschneiden des Oberwellenanteils mit Hilfe bekannter elektronischer Bauelemente oder bei großen Leistungen durch einen geregelten Hochsetzsteller erfolgen.

Von erheblichem Einfluß auf das Regelverhalten ist auch die Zeitkonstante T im Spannungsversorgungskreis der Bremswicklung. Sie wird im wesentlichen durch die Induktivität L der Bremswicklung und den Ohm¹sehen Widerstand R im Spannungsversorgungskreis gebildet, der sich wiederum aus dem Innenwiderstand der Bremswicklung und externen ohm¹sehen Widerständen zusammensetzt. Die Zeitkonstante läßt sich in bekannter Weise gemäß T = L/R berechnen.

Der Innenwiderstand der Bremswicklung und ihre Induktivität stehen in engem Zusammenhang mit der Nennbremslast, auf die die Bremse ausgelegt ist. Bei gegebener Dimensionierung der Bremsteile wird diese nämlich durch die Andruckkraft der Feder bestimmt. Die Wicklung wiederum muß so ausgelegt sein, daß bei der Wicklungs-Versorgungsspannung, für die die Bremse ausgelegt ist, die Bremse gelüftet wird. Um eine ausreichende Feldstärke der Wicklung sicherzustellen, darf der Innenwiderstand der Wicklung nicht zu groß und ihre Induktivität nicht zu klein sein.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß es zweckmäßig ist, mit einem gegenüber dieser ausschließlich nach bremstechnischen Gesichtspunkten vorgenommenen Dimengionierung erhöhten ohm'schen Widerstand zu arbeiten.

Er sollte soweit erhöht sein, daß die Zeitkonstante mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 50 % kleiner ist als die Zeitkonstante bei Nennbremslast ohne erhöhten Widerstand. Dies läßt sich durch einen geeigneten Vorv/iderstand im Spannungsversorgungskreis oder durch Erhöhung des Innenwiderstands der Wicklung erreichen.

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Bei einer knapp dimensionierten Bremse könnte der Spannungsabfall an dem Vorwiderstand bzw· der durch den erhöhten Widerstand reduzierte Stromfluß dazu führen, daß die Bremse nicht mehr vollständig gelüftet wird. Dies läßt sich vermeiden, indem mit einer erhöhten Ausgangsspannung gearbeitet und/oder eine an sich überdimensionierte Bremse verwendet wird, bei der durch Reduzierung der Andruckkraft der Feder mit einem gegenüber dem Nennbremsmoment reduzierten Bremsmoment gearbeitet wird. Die Verwendung einer überdimemsioniferten Federdruckbremse erweist sich darüberhinaus auch als vorteilhaft für das Dauerbetriebsverhalten der Antriebsvorrichtung.

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Weiterhin ist für das Regelverhalten wichtig, daß die Hysterese des Bremsregelkreises klein ist. Hierzu ist darauf zu achten, daß der Luftspalt zwischen den reibenden Elementen relativ klein ist. Im Falle einer Bremse mit bis zu 16 Nm Bremsmoment sollte der Lufspalt unter 0,3 mm liegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele nähe'r erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Drehzahlregelung

Ein Drehstromasynchrommotor 10 ist über" symbolisch dargestellte Kopplungselemente 12 und 14 mit einer elektromagnetisch gelüfteten Federdruckbremse 16 und einem Drehzahl-Istwertgeber 18 gekoppelt. Als Drehzahl-Istwertgeber wird vorzugsweise eine Schlitzscheibe mit einer aus einer Leuchtdiode und einem Fotoempfänger bestehenden Lichtschranke verwendet. In der Praxis sitzt die Nabe dar Federdruckbremse unmittelbar auf der Motorachse. Auch die Schlitzscheibe des Istwertgebers 18 ist auf der gleichen Achse angebracht.

Der Motor wird aus einem Drehstromnetz über Phasenleitungen 20a, 20b und 20c und den Nulleiter 22 versorgt. Die Versorgungsleitungen sind über einen Schaltschütz 24 schaltbar, der von einem Startschalter 26 betätigt werden kann.

Die insgesamt mit 30 bezeichnete Drehzahlregelung umfaßt den Drehzahl-Istwertgeber 18, einen Digital-Analogwandler 32, einen Sollwertgeber 34, einen Porportional-Integralregler (PI-Regler) 36 mit Steuerlogik 37, einen Drehstromsteller 38 und die insgesamt mit 40 bezeichnete Spanixungsversorgunc' für die Wicklung 16a der Federdruckbremse 16. Die Spannungsver= sorgung 40 umfaßt ein Bremsstellglied 42, einen Drehstroilgleichrichter 44 und einen in Reihe mit der Wicklung 16a geschalteten Vorwiderstand 46.

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Zur Anpassung der Verstärkung und des Regelverhaltens des PI-Reglers 36 an die Erfordernisse der Bremse 16 und ihrer Spannungsversorgung 40 ist eine Änpassungsschaltung 43 vorgesehen*

■ Die Elemente der Regelung sind über Steuerleitungen miteinander verbunden« Weiteire füär den Fachmann ohne Weiteres selbstverständliche Einzelheiten, wie beispielsweise die

-^iNiederspannüngsversorgüng fü_r £ie Elektronik Und die zur

■ Funkenstörürig notwendigen Elemente sind der Übersichtlich-' keit halber nicht dargestellt*

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden anhand "■ von Figur 2 naher erläutert. Grundläge ist dabei ein typischer Verlauf eines Regelzyklus, beispielsweise bei der Fahrt eines Aufzuges von einem Stockwerk zum anderen.

Die Kurve a in Fig. 2 stellt den zeitlichen Verlauf des Sollwertes dar, der von dem Sollwertgeber 34 erzeugt Wird.

Wird zu einem Zeitpunkt A der Startschalter 26 betätigt, so geht ein Signal an die Steuerlogik 37. Dadurch wird eine -allmählich steigende Sollwertkurve erzeugt. Bei Erreichen

einer Spannung U_, die der normalen Fahrgeschwindigkeit entr

spricht, bleibt das Sollwertsignäl konstant.

Die Abbremsphase wird durch einen "Slow"-Schalter 52 zum Zeitpunkt C eingeleitet. Der Schalter kann beispielsweise an), geeigneter Stelle im Fahrstuhlschacht angebracht sein und die Annäherung an das Zielstockwerk signalisieren*

Durch Betätigung des Schalters 52 wird eine allmähliche Abnahme der Sollwertkurve auf einen Wert ü_g (Zeitpunkt D) eingeleitet, der der gewünschten Schleichgeschwindigkeit entspricht, mit welcher sich die Last dem Zielpunkt annähern soll.

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. , Das Erreichen des Zielpunktes wird zum Zeitpunkt B durch ■einen Endschalter 5G gemeidet. Das Sollwertsignal, geht ■'■ auf Null.

Die Kurven b und c von Fig* 2 zeigen in einer vereinfachten und übertriebenen Darstellung den Sighalverlauf am Ausgang 3 6a des Reglers 36. Die Kurve b ist typisch für eine gegen die Antriebsrichtüng Wirkende Last (Betrieb im &Idigr;. Quadranten "Antreiben"). Kurve c zeigt den entsprechenden Verlauf bei einer gleichgerichtet mit dem Antrieb wirkenden last (Betrieb im II. Quadranten "Bremsen").

Charakteristisch für die in Figur 1 dargestellte Schaltung ist/ daß ein gemeinsamer Regler 36 für den Motor 10 und die C- Bremse 16 verwendet wird. Augrund der Regelabweichung, welche aus den Signalen des bifehzahl-Istwertgebers 18 und des Sollwertgebers 34 gewonnen wird, erzeugt er ein Ausgangssignal, durch das sowohl der Motor als auch die Bremse gesteuert wird. Der Regler bildet also sowohl einen Teil der Motorregelungselektronik (zusammen mit dem Drehstromsteller 38) als auch der Bremsregeiüngselektronik (zusammen mit der Anpassungsschaltung 43 und der Spannungsversorgung 40) » Die genannten Elemente sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, daß in einem ersten Teilbereich des Regler-Ausgangssignals der Motor und in einem zweiten Teilbereich die Bremse anspricht!. Beide Teilbereich überlappen bevorzugt nur geringfügig oder gar nicht. "'

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Bei der dargestellten analcigelektronischen Realisierung kann dies Beispielsweise dadurch geschehen, daß in einem ersten Spannungsbereich 50 (!'Brenusstellbereich") die Bremse und in einem zweiten Spannungsbereich 52 ("Motorstel!bereich") der Motor auf das Aüsgangssignäli anspricht, innerhalb des Stelibereiches 50 nimmt mit abnehmender RegleräüsgarigsspannUng die an der Wicklung 16a anliegende Spannung zu, so daß die Bremse -lüftet. Innerhalb des StelibereiGhE 52 hinunfe

abnehrnender

Reglerausgangsspannung der Durchlaßbereich des Phasenanschnitt Crehstromsteilers 38 zu, so daß das Antriebsdrehmoment des Motors steigt^

• Da der Motor zum Zeitpunkt A zunächst steht, ergibt sich ■mit steigendem Sollwert verhältnismäßig schnell eine große Regelabweichung. Das Ausgangssignal des Reglers 36, der vorzugsweise ein Proportional-Integral-Regelverhalten hat, lindert sich schnell in Richtung auf den Motorstellbereich. 'Dabei nimmt die an der Wicklung 16a anliegende Spannung zu, eo daß die Bremse lüftet. Solange sich das Reglerausgangseignal im Bremsstellbereich 50 befindet, ist der Motor stromlos. Der von dem Startschalter 26 zum Zeitpunkt A betätigte Schaltschütz 24 wird folglich im stromlösen Zustand geechaltet und dadurch geschont.

Wenn das Ausgangssignal des Reglers 3 6 in den Motorstellbereich 52 gelangt, läuft der Motor an. Dies führt vielfach '.t:u einer unerwünscht schnellen Beschleunigung, die durch die Regelung ausgeglichen wird. Die dadurch und durch die änderung der Last hervorgerufenen RegeischwiJhgüngen sind in Fig. 2

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± übertrieben dargestellt. Kurve c zeigt, daß im Fall einer ;>· schiebenden Last vorteilhafterweise die Regelung wieder in

'den Bremsteilbereich zurückschwingt, so daß die.Bremse schon ;, in der Anfahrphase des Antriebs für einen sanften Anlauf

/ .[- ' «orgt.

b ' Iweckmäßigerweise schaltet eine in der Steüeriögik 37 ent-

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i· deJi Sollwertes U_ die Regelungselektronik aus (Zeitpunkt B)

■:j' Dabei ist der Regler vorteilhaft so ausgebildet, daß seine

&idiagr;- Q JLusgangsspannung schnell, aber kontrolliert auf einen Wert

&zgr; fällt, der dem maximalen Motorantrieb entspricht. Der Dreh-

j stromsteller 38 öffnet vollständig, so daß der Motor mit

'■'. vollem Drehmoment und normalem Fahrgeräusch läuft.

^! Die Abnahme des Sollwertes zum Zeitpunk-c C führt zu einer

V negativen Regelabweichung und damit zu einem schnellen An-

;' Stieg des Ausgangssignal des Reglers 36 in Richtung auf den

''j Iremstellbereich 50. Bei einer bremsenden Last wird dieser

- J;' gemäß Kurve b unter Umstanden nicht erreicht¹-. Vielmehr

I erfolgt die Regelung vollständig im Mötorstellbereich.

;'| _r iei einer schiebenden Last tritt das Reglerausgangssignal

f> ^ gemäß Kurve c in den Bremstellbereich 52 ein. die zunehmende

j£ iignalspannung entspricht einer abnehmenden Spannung an der Äremswicklung, bis die Bremse greift. Kurve c zeigt zwischen den Zeitpunkten C und D in übertriebener Darstellung die Regels ehwingungen.

Auch nachdem der Sollwert auf den Schleichwert U_g gefallen ist (Zeitpunkt D), sorgt die Regelung für einen gleichmäßigen Lauf und eine sanfte Annäherung an die Schleichgeschwindigkeit. Die Schwankungen in der Reglerausgangsspannung stellen Reaktionen des Reglers auf Änderungen der Last dar, die durch die Regelung ausgeglichen werden. Die Dauer des Betriebs mit der Schleichgeschwindigkeit sollte nicht zu groß sein, um ein übermäßige Erwärmung des im Phasenanschnitt betriebenen Motors zu vermeiden. Zweckmäßigerweise läßt sich der Zeitpunkt D dadurch optimieren, daß eine einstellbare Verzögerungsschaltung vorgesehen ist, die das Signal des "Slow"-Schalters 52 verzögert.

Durch das Signal des Endschalters 56 wird das Reglerausgangssignal mittels der Steuerlogik 37 auf Maximalspannung gestellt. Die Bremse greift voll. Durch ein Signal von dem Endschalter wird auch der Startschalter 26 geöffnet. Da somit der Schütz öffent, wird die Schaltung vom Netz getrennt. Die Bremse erhält keinen Strom und wirkt als Sicherheitsbremse.

Die Erfindung wurde anhand einer analogelektronischen Realisierung beschrieben, jedoch sind zahlreiche andere Realisierungen möglich. Insbesondere kann eine Mikroprozessorsteuerung vorteilhaft eingesetzt werden. In diesem Falle werden die Signale des Istwertgebers an den Mikroprozessor gemeldet, der sie mit einer einprogrammierten Sollwertkurve vergleicht und aus der so ermittelten Regelabweichung die Steuersignale sowohl für den Motor als auch für die Bremse erzeugt. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sind dem Fachmann aufgrund der vorliegenden Beschreibung ohne weiteres zugänglich.

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Eine Mikroprozessorsteuerung kann noch feiner auf die Erfordernisse des Einzelfalls (Last, Motorcharakteristik, Bremscharakteristik, gewünschtes Anfahr- und Abbremsverhalten) abgestimmt werden. Sie erweist sich deswegen vor allem im Bereich höherer Lasten und Motorleistungen als vorteilhaft. Mit einer Mikroprozessorsteuerung läßt sich ein noch stabileres, höher dynamisches Regelverhalten erreichen als mit einer Analogregelung. Bei Verwendung einer selbstoptimierenden Mikroprozessorregelung entfällt darüberhinaus die bei analogelektronischer Ausführung notwendige Optimierungsarbeit.

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Claims

Dr.-lng.Hert?^Moiöf;:.::; Dr.rer.not. Hans-Peter Pfeife

Patentanwälte

0 - 7500 Karisruhe 1, Nowackonloge 15

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Ansprüche

1. Antriebsvorrichtung, insbesondere für fördertechnische Zwecke und Torantriebe mit

einem Elektromotor (10),

einer Drehzahlregelung (30) zum sanften Abbremsen

der Antriebsbewegung und

einer im Betrieb mit dem Elektromotor (10) gekoppelten Federdruckbremse (16), die eine Wicklung (16a) zur elektromagnetischen Lüftung der Bremse aufweist,

dadurch

gekennzeichnet, daß

ein mit der Antriebsvorrichtung gekoppelter Drehzahl-Istwertgel-ar (18) vorgesehen ist und

die Regelung eine Bremsregelungselektronik (36,42,43) einschließt, von der die Spannungsversorgung (40) der Bremswicklung (16a) in Abhängigkeit von dem Signal des Drehzahl-Istwertgebers (18) und eines Sollwertgebers (34) geregelt wird.

&Idigr;. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahl-Istwertgeber (18) ein digitaler Drehzahlgeber ist, der bei der Normalgeschwindigkeit des Motors mindestens 500 Impulse pro Sekunde erzeugt.

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3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung (40) der Bremswicklung (16a) als Gleichspannungsversorgung mit geringer Restwelligkeit ausgebildet ist.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung (40) der Bremswicklung H6a) einen Drebstromgleichrichter (44) enthält.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ohm'sche Widerstand im Spannungsversorgungskreis der Bremse (16) so erhöht ist, daß die durch die Induktivität der Bremswicklung (16a) und den ohm'sehen Widerstand in ihrem Spannungsversorgungskreis gebildete Zeitkonstante mindestens 50 % kleiner ist als die Zeitkonstante bei Nennbremslast ohne erhöhten Widerstand.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hysterese des Bremsregelkreises klein ist.

, Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) über ein Motorstellglied (38) steuerbar ist und das Motörstellglied (38) und die Spannungsversorgung (40) der Bremswicklung (16a) an der. gleichen Regler angeschlossen sind.

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8. Antriebsvorrichtung; nach Anspruch 1/ dadurch g e k e !&idiagr; &eeacgr; &zgr; e I c h &eegr; e t, daß der Motor (10)

ein Wechseisttöiti- öder 'Drehstrom-rÄsyhchröfimotor -ist.

9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8,,dadurch gekennzeichnet, daß das Motorsteli-

" glied (38) ein Wechselstrom- oder Drehstromsteller mit Phasenanschnittssteuerung ist.