Verfahren zur Energieversorgung eines Drehstrommotors eines Hubwerks und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
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 anderseits 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-Umrichtem) bzw. der Speisestromstärke (bei Stromzwischenkreis-Umrichtem) vorgegeben.
Ein derartiges Verfahren zur Stromversorgung eines Drehstrommotors mit elektrischer Energie variabler Frequenz und variabler Spannung oder Stromstärke und die dazugehörige Schaltung werden in DE-A 3 048 097 geschildert. Bei diesen Verfahren werden Frequenz und Grundwert von Strom oder Spannung so geregelt, daß der Motor auch im unteren Drehzahlbereich ein Drehmoment liefert, das zum Heben der Nennlast ausreicht.
Da die Nennleistung von Hubwerken eher selten bis an ihre Grenze ausgeschöpft wird, bedeutet diese Voreinstellung eines Grenzgrundwertes einen häufig unnötig hohen Energieverbrauch und damit verbundenen 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 der unabhängigen Ansprüche 1 und 7. 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:
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 Berücksichtigung 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.