Kräne, Hebezeuge und Aufzüge

Das Heben und Senken von Lasten ist eine wichtige Anwendung von Frequenzumrichtern, daher lohnt es sich, diese Hauptanwender von Wechselrichtern genauer unter die Lupe zu nehmen.

Wenn du etwas hebst, machst du eindeutig Arbeit; Wenn Sie etwas absenken, wenn Sie keine Bremse (oder zu viel Reibung) verwenden, dann nehmen Sie Energie aus der Last, so dass es eine Regeneration gibt. Das bedeutet, dass wir in den meisten Anwendungen entscheiden müssen, was mit der Energie geschehen soll, die vom Motor zurückkommt. Der Artikel "Bremsen und Regeneration" erklärt dies. In der Praxis bedeutet dies, dass ein geeigneter Bremswiderstand basierend auf der Größe des Frequenzumrichters, dem Tastverhältnis usw. ausgewählt wird. Da die meisten Aufzüge ein Gegengewicht haben, motorisieren und erzeugen sie nicht unbedingt, wenn Sie es erwarten; Das Heben eines leeren Autos wird wahrscheinlich zu einer Regeneration führen.

Aufzüge fahren auf und ab, voll und leer. Das bedeutet, dass der Antrieb vorwärts und rückwärts laufen, motorisieren oder regenerieren muss. Dies wird als Vier-Quadranten-Operation bezeichnet. Kräne werden jedoch ziemlich nahe an der Regenerierung sein, einen Haken oder eine Last absenken und beim Heben fahren und daher nur in zwei Quadranten arbeiten. Der Vier-Quadranten-Betrieb eines Aufzugs ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1:Vier-Quadranten-Betrieb in einem Aufzug

Das regenerative Bremsen steuert die Geschwindigkeit des Aufzugs oder Krans, aber um die Bewegung vollständig zu stoppen, ist eine separate elektromechanische Bremse erforderlich. Diese werden oft vom Frequenzumrichter über eines seiner Ausgangsrelais angesteuert. Normalerweise wird die Bremsentriegelung verzögert, damit sich der Magnetisierungsstrom und das Drehmoment im Motor aufbauen können. Dies stellt sicher, dass beim Lösen der Bremse die Last nicht abfällt, während der Motor das Drehmoment erhöht. Ebenso wird die Bremse kurz vor dem Stillstand des Motors betätigt. Parameter erlauben die Anpassung dieser Zeiten. Bei einigen Antrieben wie dem P2 von Invertek wird das Motordrehmoment gemessen und muss ein bestimmtes, voreingestelltes einstellbares Niveau erreichen, bevor die Bremse losgelassen wird. Dies wird als Drehmomenterprobung bezeichnet.

Denken Sie daran, wenn das Relais zur Steuerung einer elektromagnetischen Bremse verwendet wird, muss ein separates Schütz (gesteuert vom Relais) verwendet werden, da die Bremse sehr induktiv ist und das Relais leicht beschädigt.

Wie aus dem oben Gesagten hervorgeht, kann die Steuerung des Motors beim Lösen der Bremse schwierig sein. Bis der Motor die Last erkennt und sich zu drehen beginnt, ist nicht klar, ob sich die Last regeneriert oder motorisiert. Der Aufzug kann voll (tendenziell fallend) oder leer (aufgrund des Gegengewichts tendenziell steigend) sein. Wenn der Aufzug vor dem Auffahren auch nur ein wenig herunterfällt, ist dies für die Passagiere im Auto nicht wirklich akzeptabel. Ein Encoder wird oft verwendet, um diesen Effekt zu reduzieren.

Ein Encoder ist ein kleiner Sensor, der auf der Rückseite des Motors montiert und mit der rotierenden Welle verbunden ist. Wenn sich die Welle dreht, dreht sich eine im Encoder montierte Scheibe, und Schlitze in der Scheibe unterbrechen das Licht einer LED auf einer Seite der Scheibe und leuchten auf einen Fotosensor auf der anderen Seite. Es wird also eine Reihe von Impulsen erzeugt, deren Frequenz proportional zur Motordrehzahl ist. Wenn zwei Sätze von Steckplätzen und Fotosensoren vorhanden sind, kann die Drehrichtung bestimmt werden, wenn die Schlitze versetzt sind. Die Anzahl der Slots variiert; 1024 pro Umdrehung ist typisch. Abbildung 2 zeigt, wie der Encoder funktioniert.

Abb. 2: Encoder-Betrieb

Wenn der Encoderausgang mit dem Antrieb verbunden ist – und der Antrieb über geeignete Eingänge verfügt, um das Encodersignal zu lesen und zu interpretieren, kann der Antrieb die geringste Bewegung erkennen, wenn die Bremse losgelassen wird, und entsprechend reagieren. Eine weitere Überwachung des Signals kann verwendet werden, um eine präzise Drehzahlregelung zu ermöglichen. 

Bis vor kurzem waren Drehgeber aus diesem Grund so ziemlich Standardausrüstung in Aufzügen und Kränen. Jüngste Verbesserungen in der Vector-Steuerung haben es jedoch ermöglicht, ein ähnliches Leistungsniveau wie bei Encoder-Steuerungssystemen mit Vector Control allein zu erreichen.

Sobald das Stoppen und Starten geklärt ist, ist das Heben und Senken ziemlich einfach. Es kann einige Sicherheitsprobleme geben, und größere Krane können Funktionen wie Anti-Swing-Software sowie Traversen- und Reisesysteme aufweisen. Diese zusammen ergeben eine komplexe Maschine und können auch voll regenerative Antriebe mit hoher Leistung verwenden.

Aufzüge sind etwas schwieriger. Sie müssen eine reibungslose, sichere Fahrt erzeugen und innerhalb weniger Millimeter vom Boden anhalten. Es gibt auch Sicherheitsfragen und Notfalloperationen, die berücksichtigt werden müssen.

Diese Funktionen können mit einem Standardantrieb erreicht werden, aber viele Hersteller, einschließlich Invertek, stellen einen speziellen Antrieb für Aufzüge her, wobei Software und Hardware diese Anforderungen erfüllen.

Um beispielsweise ein Ruckeln des Fahrzeugs beim Beschleunigen und Verzögern zu vermeiden, werden S-Kurven verwendet, um ein sanftes Anhalten und Starten zu gewährleisten. Ein optionales Encoder-Schnittstellenmodul kann bei Bedarf an einem Encoder montiert werden. Moderne Aufzüge verwenden große mehrpolige getriebelose Permanentmagnetmotoren, so dass der Antrieb so konzipiert ist, dass er mit diesen arbeitet. Abbildung 3 zeigt diese S-Kurven.

Abb. 3: S-Kurven

Weitere Funktionen können die Steuerung eines Ausgangsschützs und die Rollback-Kompensation zur Verbesserung der Bodenausrichtung bei Verwendung eines Encoders umfassen.

Eine wichtige Anforderung an jedes Aufzugssystem ist der Notbetrieb. Wenn der Strom ausfällt, sollte der Aufzug in der Lage sein, sich in die nächste Etage zu bewegen, um die Evakuierung zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise mit einer 24-V-Batterie erreicht werden, von der aus das Laufwerk langsam betrieben wird. Das Laufwerk benötigt dazu erhebliche Hardwareänderungen. Eine weitere Lösung besteht darin, ein kostengünstiges unterbrechungsfreies Netzteil (USV) zu installieren, das das Laufwerk für kurze Zeit mit 230 V versorgen kann. Mit geringfügigen Konstruktionsänderungen kann ein 400-V-Laufwerk im Notbetrieb von der USV aus betrieben werden. So oder so, das Auto kann langsam in die nächste Etage fahren und die Passagiere können in den dunklen Flur aussteigen.

Die Software, die den Aufzugsverkehr steuert, ist hochkomplex. Betrachten Sie ein Sechs-Lift-System mit Anrufen von vielen Etagen, auf und ab, mit Prioritätsanfragen usw. Glücklicherweise ist dies die Aufgabe des Aufzugslieferanten, nicht des Antriebsingenieurs.Das Heben und Senken von Lasten ist eine wichtige Anwendung von Frequenzumrichtern, daher lohnt es sich, diese Hauptanwender von Wechselrichtern genauer unter die Lupe zu nehmen.