EP0259656A1 - Verfahren zur Energieversorgung eines Drehstrommotors eines Hubwerks und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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EP0259656A1
EP0259656A1 EP87111895A EP87111895A EP0259656A1 EP 0259656 A1 EP0259656 A1 EP 0259656A1 EP 87111895 A EP87111895 A EP 87111895A EP 87111895 A EP87111895 A EP 87111895A EP 0259656 A1 EP0259656 A1 EP 0259656A1
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    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
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    • B66D1/00—Rope, cable, or chain winding mechanisms; Capstans
    • B66D1/28—Other constructional details
    • B66D1/40—Control devices
    • B66D1/48—Control devices automatic
    • B66D1/485—Control devices automatic electrical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/22—Control systems or devices for electric drives
    • B66C13/23—Circuits for controlling the lowering of the load
    • B66C13/26—Circuits for controlling the lowering of the load by ac motors

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying energy to a three-phase motor of a hoist according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method.
  • the supply frequency is regulated so that when lifting a lifting load the three-phase motor forms the required lifting torque almost without delay, so that e.g. when picking up a hanging load, the drive immediately becomes torque-proof and there is no load sag.
  • the lower frequency range is particularly critical in terms of control technology, which is used particularly intensively on cranes with their frequent changes of stroke.
  • the object of the invention is therefore to provide a generic method for supplying energy to a three-phase motor of a hoist, in which energy expenditure and thermal load on the three-phase motor are reduced as far as possible in the lower frequency range.
  • the main advantage of the teaching according to the invention is that the basic value of the voltage or current only assumes the height required to cope with the actual load, as a result of which the energy consumption and the thermal load on the converter and the three-phase motor are minimal in the critical lower frequency range.
  • the three-phase motor is magnetized only to the extent necessary. This relief can be taken into account when dimensioning. Further advantageous effects of the subject matter of the main claim and the subclaims result from the description.
  • the solid characteristic curve of the diagram according to FIG. 1 describes how the voltage U depends on the frequency f in a conventionally fed three-phase motor of a hoist.
  • U1 basic limit value
  • the lifted load is often only a fraction of the limit load to be permitted, so that in this speed range an unnecessarily large amount of energy is often consumed, with the result that the converter and the three-phase motor are subjected to unnecessary thermal stress.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a device for implementing the described measure.
  • a rectifier device 1 which is part of a voltage intermediate circuit converter, is supplied from a three-phase network R, S, T.
  • the output voltage of the rectifier device 1 can be regulated. It serves as the input voltage of an inverter 2, which supplies the three-phase motor M with three-phase adjustable frequency f in order to raise the lifting load 5.
  • the frequency f to be supplied by the inverter 2 is specified by the controller 3, for example as a function of the load and the desired speed.
  • the lifting load 5 is detected by the load measuring unit 6 and passed on to the magnetization control unit 7 in the form of a signal representing the lifting load.
  • the lowering of the voltage below the basic limit value U1 in the lower frequency range can be carried out by the magnetization control unit 7 in constant dependence on the stroke load 5 actually detected.
  • it can also be advantageous to carry out the step-down, i.e. to assign a corresponding sequence of basic voltage values to a finite number of lifting load intervals.
  • the lowering of the basic value of the voltage or the selection of the corresponding characteristic curve is preferably carried out automatically via the described control circuit, which consists of the load measuring unit 6, magnetization control unit 7 and the characteristic curve generator 4.
  • the described control circuit which consists of the load measuring unit 6, magnetization control unit 7 and the characteristic curve generator 4.
  • manual specification of a lowered characteristic curve is also conceivable if the magnitude of the lifting load to be moved is known, in particular, is constant over longer periods of time.
  • the functions of the magnetization control unit 7 and the characteristic curve generator 4 can advantageously also be carried out by a process computer, in particular a microcomputer. Such a solution is particularly suitable if this process computer also takes over the regulation of the converter and the three-phase motor.
  • the current consumption of a hoist motor supplied according to the described method is compared with the current consumption of a conventionally supplied hoist motor.
  • the current consumption of the three-phase motor M is shown above the frequency f of the three-phase current supplied by the inverter 2 when lifting a small lifting load compared to the limit load.
  • the solid line shows that the lowering of the basic value of the voltage in the lower frequency range, which is adapted to the actual load, leads to a motor current which is only slightly increased compared to the current consumption in the upper frequency range, which in the example shown is approximately half the rated current IN.
  • the dashed line shows the dependence of the current I on the frequency f.
  • the hatched area illustrates the proportion of electricity that is unnecessarily consumed, thereby causing unnecessary energy costs and subjecting the converter and the three-phase motor M to an unnecessarily high thermal load.

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Abstract

Bei der Versorgung eines Drehstrommotors (M) eines mit einer Lastmeßeinheit (6) versehenen Hubwerks mit elektrischer Energie variabler Frequenz (f) und variabler Spannung (U) oder Stromstärke, insbesondere aus einem Umrichter (1,2), wird der Grundwert (U2) der Spannung bzw. Stromstärke im unteren Frequenzbereich in Abhängigkeit von der durch die Lastmeßeinheit (6) erfaßten tatsächlichen Hublast (5) unter den Grenzgrundwert (U1) abgesenkt, um die thermische Belastung des Drehstrommotors (M) zu minimieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiever­sorgung eines Drehstrommotors eines Hubwerks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Bei Hubwerken, wie Kränen, Aufzügen oder Förderanlagen usw., ist der Einsatz insbesondere umrichtergespeister Drehstrommotoren bekannt. Dabei wird die Speisefrequenz so geregelt, daß beim Heben einer Hublast der Dreh­strommotor annähernd verzögerungsfrei das erforder­liche Hubmoment bildet, damit z.B. beim Aufnehmen einer hängenden Last der Antrieb unverzüglich moment­schlüssig wird und es nicht zu einem Lastsacken kommt. Regelungstechnisch kritisch ist dabei vor allem der untere Frequenzbereich, der andererseits gerade bei Kränen mit ihren häufigen Hubrichtungswechseln beson­ders intensiv genutzt wird. Um auch im unteren Fre­quenzbereich die Magnetisierung des Drehstrommotors sicher zur Bildung mindestens des Nennmoments und zum Heben mindestens der Nennlast ausreichen zu lassen, wird bei den bekannten Hubwerksteuerungen ein ent­sprechend hoher Grundwert der Speisespannung (bei Span­nungszwischenkreis-Umrichtern) bzw. der Speisestrom­stärke (bei Stromzwischenkreis-Umrichtern) vorgegeben.
  • Da die Nennleistung von Hubwerken eher selten bis an ihre Grenze ausgeschöpft wird, bedeutet diese Vorein­stellung eines Grenzgrundwerts einen häufig unnötig hohen Energieverbrauch und damit verbunden eine unnötig hohe thermische Belastung des Umrichters und des Dreh­strommotors.
  • Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung ei­nes gattungsgemäßen Verfahrens zur Energieversorgung eines Drehstrommotors eines Hubwerks, bei dem Energie­aufwand und thermische Belastung des Drehstrommotors im unteren Frequenzbereich soweit als möglich reduziert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteil­hafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfin­dung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lehre besteht darin, daß der Grundwert der Spannung bzw. Stromstärke nur noch die zur Bewältigung der tatsächlichen Last erforderliche Höhe annimmt, wodurch im kritischen un­teren Frequenzbereich der Energieverbrauch und die thermische Belastung des Umrichters und des Drehstrom­motors minimal werden. Nur im notwendigen Maße wird der Drehstrommotor jeweils magnetisiert. Diese Entla­stung kann bei seiner Dimensionierung berücksichtigt werden. Weitere vorteilhafte Wirkungen des Gegenstands des Hauptanspruchs sowie der Unteransprüche ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­beispiels wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 ein Diagramm mit Kennlinien zur Beschreibung der Abhängigkeit der Speisespannung von der Fre­quenz;
    • Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchfüh­rung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
    • Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Stromaufnahme eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ver­sorgten Hubwerkmotors bei kleiner Last, verglichen mit der Stromaufnahme eines nach dem Stand der Technik versorgten Hubwerkmotors bei nämlicher Last.
  • Die durchgezogene Kennlinie des Diagramms nach Fig.1 beschreibt, wie bei einem konventionell gespeisten Drehstrommotor eines Hubwerks die Spannung U von der Frequenz f abhängt. Im kritischen unteren Frequenzbe­reich - in dem beispielhaften Diagramm der Abschnitt zwischen f = 0 und f = f1 - ist die Kennlinie auf den Grenzgrundwert U1 angehoben, damit der Drehstrommotor auch im Stillstand oder bei kleinen Drehzahlen das er­forderliche Hubmoment liefern kann. z.B. Bei Hüttenwerks­kranen und Montagekranen muß häufig mit kleinen Dreh­zahlen gefahren und korrigiert werden, mit hoher Schalt­häufigkeit, so daß dieser Bereich besondere Maßnahmen erforderlich macht. Andererseits beträgt die gehobene Last oftmals nur einen Bruchteil der zuzulassenden Grenz­hublast, so daß in diesem Drehzahlbereich häufig unnötig viel Energie verbraucht wird, mit der Folge unnötiger thermischer Belastung des Umrichters und des Drehstrom­motors.
  • Diese Probleme werden wirksam vermieden, indem die Span­nung bei der Frequenz f = 0 auf einen Wert abgesenkt wird, der die Bewältigung der tatsächlichen Last noch ermöglicht, andererseits jedoch zu wesentlich geringe­ren Energieverlusten und thermischen Belastungen führt. Eine entsprechende Kennlinie ist in dem Diagramm nach Fig.1 gestrichelt eingetragen. Sie entsteht aus der durchgezogen gezeichneten Kennlinie durch Abschrägung des Kennlinienabschnittes im unteren Frequenzbereich. Der Grundwert U2 der Spannung bei der Frequenz f = 0 liegt deutlich unter dem Grenzgrundwert U1 der Spannung nach der konventionellen Kennlinie. Die Absenkung der Spannung vom Grenzgrundwert U1 auf den Grundwert U2 kann aber genausogut z.B. dadurch erfolgen, daß der Knickpunkt der Kennlinie verschoben wird, wie anhand der gepunkteten Kennlinie gezeigt wird, wo der Knick­punkt bei der Frequenz f2 anstelle f1 liegt. Die Be-­rücksichtigung der tatsächlichen Last hat im allgemei­nen keinen erheblichen Zusatzaufwand zur Folge, da Hub­werke normalerweise aus sicherheitstechnischen Gründen ohnehin mit einer Lasterfassung versehen sind, um die Elektrik und die Mechanik gegen Überlast zu schützen.
  • Durch die Absenkung des Grundwerts der dem Drehstrom­motor zugeführten Spannung wird dieser nur in dem situationsabhängig notwendigen Maße magnetisiert, so daß einerseits Energie gespart wird und andererseits der Drehstrommotor samt dem ihn speisenden Umrichter thermisch entlastet wird. Diese Entlastung kann bei der Dimensionierung der beiden genannten Geräte berück­sichtigt werden.
  • Ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung der geschilderten Maßnahme zeigt Fig.2. Aus einem Dreh­stromnetz R,S,T wird ein Gleichrichtergerät 1 versorgt, welches Bestandteil eines Spannungszwischenkreis-Um­richters ist. Die Ausgangsspannung des Gleichrichter­gerätes 1 ist regelbar. Sie dient als Eingangsspannung eines Wechselrichters 2, der den Drehstrommotor M mit Drehstrom einstellbarer Frequenz f versorgt, um die Hublast 5 zu heben. Die vom Wechselrichter 2 zu lie­fernde Frequenz f wird von dem Regler 3 z.B. in Ab­hängigkeit von der Last und der gewünschten Drehzahl vorgegeben. Die Hublast 5 wird von der Lastmeßeinheit 6 erfaßt und in Form eines die Hublast repräsentieren­den Signals an die Magnetisierungsstelleinheit 7 weiter­geleitet. In Abhängigkeit von diesem Eingangssignal legt die Magnetisierungsstelleinheit 7 fest, welcher Grundwert der Spannung bei der Frequenz f = 0 notwen­dig und hinreichend ist. Anhand dieser Information wählt der Kennliniengeber 4 eine entsprechende Kenn­linie aus, z.B. die gestrichelt gezeichnete nach Fig.1. Nach der Vorschrift der ausgewählten Kennlinie liefert das Gleichrichtergerät 1 jeweils die zur aktuellen Frequenz f gehörige Spannung U. Insbesondere wird im unteren Frequenzbereich zwischen f = 0 und f = f1 eine gegenüber der maximal erforderlichen Spannung abge­senkte Spannung an den Wechselsrichter 2 und damit an den Drehstrommotor M abgegeben, wenn die erfaßte tat­sächliche Hublast 5 kleiner als die maximal zulässige Grenzhublast ist.
  • Die Absenkung der Spannung unter den Grenzgrundwert U1 im unteren Frequenzbereich kann durch die Magnetisie­rungsstelleinheit 7 in stetiger Abhängigkeit von der tatsächlich erfaßten Hublast 5 erfolgen. Schaltungs­technisch kann es aber auch von Vorteil sein, die Ab­senkung stufenweise durchzuführen, d.h.einer endlichen Zahl von Hublastintervallen eine entsprechende Folge von Spannungsgrundwerten zuzuordnen.
  • Die Absenkung des Grundwerts der Spannung bzw. die Auswahl der entsprechenden Kennlinie erfolgt vorzugs­weise selbsttätig über den beschriebenen Steuerkreis, der aus der Lastmeßeinheit 6, Magnetisierungsstellein­heit 7 und dem Kennliniengeber 4 besteht. Denkbar ist jedoch auch die manuelle Vorgabe einer abgesenkten Kennlinie, wenn die Größenordnung der zu bewegenden Hublast bekannt, insbesondere etwa über längere Zeitab­stände hinweg gleichbleibend ist.
  • Die Funktionen der Magnetisierungsstelleinheit 7 und des Kennliniengebers 4 lassen sich vorteilhaft auch von einem Prozeßrechner, insbesondere Mikrorechner, übernehmen. Eine solche Lösung kommt insbesondere dann in Frage, wenn dieser Prozeßrechner auch die Regelung des Umrichters und des Drehstrommotors übernimmt.
  • Die obige Beschreibung der Kennlinien nach Fig.1 und der Einrichtung nach Fig.2 gehen von einem Spannungs­zwischenkreis-Umrichter aus (gebildet aus Gleichrich­tergerät 1 und Wechselrichter 2). Die dort getroffenen Aussagen bezüglich der zu regelnden Spannung gelten jedoch sinngemäß genauso für eine zu regelnde Strom­stärke eines etwaigen Stromzwischenkreis-Umrichters.
  • Unter Bezugnahme auf Fig.3 wird abschließend die Strom­aufnahme eines nach dem beschriebenen Verfahren ver­sorgten Hubwerkmotors mit der Stromaufnahme eines kon­ventionell versorgten Hubwerkmotors verglichen. Dar­gestellt ist die Stromaufnahme des Drehstrommotors M über der Frequenz f des vom Wechselrichter 2 geliefer­ten Drehstroms beim Heben einer im Vergleich zur Grenz­hublast kleinen Hublast. Die durchgezogen gezeichnete Linie zeigt, daß die in Anpassung an die tatsächliche Last erfolgte Absenkung des Grundwerts der Spannung im unteren Frequenzbereich zu einem gegenüber der Strom­aufnahme im oberen Frequenzbereich nur geringfügig erhöhten Motorstrom führt, der im gezeigten Beispiel etwa beim halben Nennstrom IN liegt. Wird dagegen der Grundwert der Spannung im unteren Frequenzbereich ohne Rücksicht auf die tatsächliche Hublast beim Grenzgrund­wert gehalten, so ergibt sich die gestrichelt einge­tragene Abhängigkeit des Stromes I von der Frequenz f. Die schraffierte Fläche verdeutlicht den Stromanteil, der unnötigerweise verbraucht wird, dabei unnötige Energiekosten verursacht und den Umrichter sowie den Drehstrommotor M unnötig hoch thermisch belastet. Die damit verbundenen Probleme der Verlustwärmeabfuhr und der Betriebssicherheit werden mit der beschriebenen, nach dem offenbarten Verfahren arbeitenden Einrichtung ausgeschaltet.

Claims (9)

1. Verfahren zur Versorgung eines Drehstrommotors eines mit einer Lastmeßeinheit versehenen Hubwerks, ins­besondere eines Asynchronmotors und insbesondere eines Käfigläufermotors, mit elektrischer Energie variabler Frequenz und variabler Spannung oder Stromstärke, ins­besondere aus einem Umrichter, wobei die Frequenz so geregelt wird, daß beim Heben einer Hblast der Dreh­strommotor das erforderliche Hubmoment bildet, und wobei ein Grundwert der Spannung bzw. Stromstärke im unteren Frequenzbereich so hoch vorgegeben wird, daß die Magne­tisierung des Drehstrommotors auch im unteren Frequenz­bereich zur Bildung des Hubmoments und zum Heben der Hublast ausreicht, dadurch gekennzeich­net, daß der Grundwert (U2) der Spannung (U) bzw. Stromstärke gegenüber dem zur Bildung eines Grenzhub­moments und zum Heben einer Grenzhublast erforderlichen Grenzgrundwert (U1) abgesenkt wird, wenn die von der Lastmeßeinheit (6) erfaßte Hublast (5) kleiner als die Grenzhublast ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Spannung bzw. Stromstärke in Abhängigkeit von der Frequenz über eine Kennlinie mit mindestens zwei Abschnitten unterschied­licher Steilheit vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit des den unteren Frequenzbereich betreffenden Kennlinienab­schnitts erhöht wird und/oder dieser Kennlinienabschnitt verkürzt wird, wenn die Hublast (5) kleiner als die Grenzhublast ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung des Grundwerts (U2) der Spannung (U1) bzw. Stromstärke stetig von der Differenz zwischen Grenzhublast und Hublast (5) abhängt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung des Grundwerts (U2) der Spannung (U) bzw. Stromstärke stufig von der Differenz zwischen Grenzhublast und Hublast (5) abhängt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Absenkung des Grundwerts (U2) der Spannung (U) bzw. Stromstärke selbsttätig eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß die Absenkung des Grundwerts (U2) der Spannung (U) bzw. Stromstärke manuell eingestellt wird.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeich­net durch eine mit der Lastmeßeinheit (6) ver­bundene Magnetisierungsstelleinheit (7), die in Abhän­gigkeit von einem die Hublast (5) repräsentierenden Eingangssignal ein den Grundwert (U2) der Spannung (U) bzw. Stromstärke repräsentierendes Ausgangssignal ab­gibt, wobei der Grundwert (U2) gegenüber dem Grenzgund­wert (U1) abgesenkt wird, wenn die Hublast (5) kleiner als die Grenzhublast ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekenn­zeichnet durch einen Kennliniengeber (4) der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Magnetisierungs­stelleinheit (7) die Kennlinie für die Abhängigkeit der Spannung (U) bzw. Stromstärke von der Frequenz (f) vor­gibt.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, gekenn­zeichnet durch einen Prozeßrechner, insbeson­dere Mikrorechner, zur Berechnung des Grundwerts (U2) der Spannung (U) bzw. Stromstärke in Abhängigkeit von der Hublast (5) und/oder zur Vorgabe einer Kennlinie für die Abhängigkeit der Spannung (U) bzw. Stromstärke von der Frequenz (f).
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